KR20260059626A - Tobacco classification method using hyperspectral imaging - Google Patents
Tobacco classification method using hyperspectral imagingInfo
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Abstract
담배를 분류하는 방법은 영상을 획득하기 위해 영상화 시스템을 사용하여 담배를 영상화하고, 획득된 영상을 기반으로 담배를 초저니코틴(VLN) 또는 일반 담배로 분류하는 단계를 포함한다. 상기 영상화 시스템은 초분광 카메라와 영상 처리 시스템을 포함할 수 있다.A method for classifying cigarettes includes the step of visualizing cigarettes using an imaging system to acquire images, and classifying cigarettes as very low nicotine (VLN) or regular cigarettes based on the acquired images. The imaging system may include a hyperspectral camera and an image processing system.
Description
본 개시는 초분광 영상화 및 분석을 이용한 담배의 분류에 관한 것이다.The present disclosure relates to the classification of tobacco using hyperspectral imaging and analysis.
관련 출원에 대한 상호 참조Cross-reference regarding related applications
본 출원은 2023년 9월 7일에 출원된 미국 특허 출원 제18/462,793호를 우선권으로 주장하며, 그 전체 내용은 인용함으로써 본 명세서에 포함되는 것으로 한다.This application claims priority to U.S. Patent Application No. 18/462,793 filed on September 7, 2023, the entire contents of which are incorporated herein by reference.
담배를 분류하기 위한 신규하고 유용한 시스템, 장치 및 방법이 본 명세서에서 설명된다.A novel and useful system, apparatus, and method for classifying tobacco is described in this specification.
적어도 하나의 실시예에서, 담배를 분류하는 방법이 설명된다. 이 방법은 영상을 획득하기 위해 영상화 시스템을 사용하여 담배를 영상화하고, 획득된 영상을 기반으로 담배를 초저니코틴(VLN) 담배 또는 일반 담배로 분류하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 영상화 시스템은 초분광 카메라와 영상 처리 시스템을 포함할 수 있다.In at least one embodiment, a method for classifying cigarettes is described. The method may include the step of imaging cigarettes using an imaging system to acquire images, and classifying cigarettes as very low nicotine (VLN) cigarettes or regular cigarettes based on the acquired images. The imaging system may include a hyperspectral camera and an image processing system.
적어도 하나의 실시예에서, 상기 방법은 초분광 카메라 아래를 통과하도록 구성된 컨베이어 벨트 위에 담배를 배치하는 단계를 더 포함할 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 상기 담배의 영상화는 상기 컨베이어 벨트를 통해 상기 담배가 상기 초분광 카메라 아래에서 직선으로 이동하는 동안 수행될 수 있다. 상기 담배의 이동은 상기 영상 처리 시스템에 의해 추적되어 상기 담배의 일관된 영상을 생성할 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 상기 담배의 분류는 상기 담배가 상기 초분광 카메라 아래에서 직선으로 이동하는 동안 실시간으로 영상을 분석하는 것을 포함할 수 있다.In at least one embodiment, the method may further include the step of placing a cigarette on a conveyor belt configured to pass under a hyperspectral camera. In at least one embodiment, imaging of the cigarette may be performed while the cigarette moves in a straight line under the hyperspectral camera along the conveyor belt. The movement of the cigarette may be tracked by the image processing system to generate a consistent image of the cigarette. In at least one embodiment, classification of the cigarette may include analyzing the image in real time while the cigarette moves in a straight line under the hyperspectral camera.
적어도 하나의 실시예에서, 상기 초분광 카메라는 단파 적외선(SWIR) 영상화를 이용하여 담배를 영상화하도록 구성될 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, SWIR 영상화는 약 900나노미터(nm) 내지 약 2500나노미터(nm) 범위에서 작동할 수 있다.In at least one embodiment, the hyperspectral camera may be configured to image a cigarette using short-wave infrared (SWIR) imaging. In at least one embodiment, SWIR imaging may operate in the range of about 900 nanometers (nm) to about 2500 nanometers (nm).
적어도 하나의 실시예에서, 획득된 영상으로부터 담배의 관련 특징(feature)이 추출될 수 있다.In at least one embodiment, a relevant feature of the tobacco can be extracted from the acquired image.
적어도 하나의 실시예에서, 상기 분류는 기계학습 알고리즘에 의해 수행될 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 상기 기계학습 알고리즘은 로지스틱 회귀 또는 선형 판별 분석 중 적어도 하나일 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 상기 방법은 VLN 담배 또는 일반 담배로 분류가 알려진 복수의 담배 영상들을 이용하여 상기 기계학습 알고리즘을 훈련시키는 단계를 더 포함할 수 있다.In at least one embodiment, the classification may be performed by a machine learning algorithm. In at least one embodiment, the machine learning algorithm may be at least one of logistic regression or linear discriminant analysis. In at least one embodiment, the method may further include the step of training the machine learning algorithm using a plurality of cigarette images known to be classified as VLN cigarettes or regular cigarettes.
적어도 하나의 실시예에서, 상기 초분광 카메라는 각 스펙트럼 파장에 대해 담배 표면의 2차원 영상을 구성하도록 담배를 영상화할 할 수 있다.In at least one embodiment, the hyperspectral camera can image the cigarette to form a two-dimensional image of the cigarette surface for each spectral wavelength.
적어도 하나의 실시예에서, 상기 영상은 복수의 픽셀을 포함할 수 있다. 각 픽셀은 복수의 스펙트럼 측정값을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 각 픽셀은 최소 160개의 스펙트럼 측정값을 포함할 수 있다.In at least one embodiment, the image may include a plurality of pixels. Each pixel may include a plurality of spectral measurements. In at least one embodiment, each pixel may include at least 160 spectral measurements.
적어도 하나의 실시예에서, 상기 담배를 VLN 또는 일반 담배로 분류하는 단계는 비침습적으로 수행될 수 있다.In at least one embodiment, the step of classifying the tobacco as VLN or regular tobacco can be performed non-invasively.
적어도 하나의 실시예에서, 상기 담배의 직사각형 영역이 상기 초분광 카메라에 의해 영상화될 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 상기 직사각형 영역은 약 12인치 × 30인치 크기의 담배 영역일 수 있다.In at least one embodiment, a rectangular area of the cigarette may be imaged by the hyperspectral camera. In at least one embodiment, the rectangular area may be a cigarette area approximately 12 inches × 30 inches in size.
적어도 하나의 실시예에서, 상기 방법은 전처리를 위해 담배 위에 반사율 소재(reflectance material)를 배치하는 단계를 더 포함할 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 상기 방법은 반사율 소재에 대한 관심 영역(ROI, region of interest)을 정의하는 단계, 상기 담배에 대한 제2 관심 영역을 정의하는 단계 그리고, 상기 초분광 카메라로 영상을 획득한 후 제2 관심 영역 내에서 응답이 너무 낮은 픽셀을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 상기 방법은 x축의 각 픽셀에 대응하는 y축을 따라 상기 제1 관심 영역에 대해 평균을 내는 것에 의해, 상기 제1 관심 영역의 상기 x축을 따라 각 픽셀에 대한 평균 스펙트럼 벡터(mean spectral vector)를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 상기 방법은 상기 담배의 평균 스펙트럼(mean spectra)을 생성하기 위해 상기 제2 관심 영역 내의 각 픽셀을 상기 평균 스펙트럼 벡터로 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 상기 담배는 상기 평균 스펙트럼을 기반으로 초저니코틴(VLN) 또는 일반 담배로 분류될 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 상기 제2 관심 영역 내 각 픽셀을 보정하는 단계는 상기 평균 스펙트럼 벡터에 대응하는 요소가 없는 경우 상기 제2 관심 영역의 해당 픽셀을 폐기하는 것을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 상기 반사율 소재는 적절한 반사율을 가질 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 상기 반사율 소재는 SPECTRALON® 40% 반사율 표준 소재일 수 있다.In at least one embodiment, the method may further include the step of placing a reflectance material on the cigarette for preprocessing. In at least one embodiment, the method may further include the step of defining a region of interest (ROI) for the reflectance material, the step of defining a second region of interest for the cigarette, and the step of removing pixels with a response too low within the second region of interest after acquiring an image with the hyperspectral camera. In at least one embodiment, the method may further include the step of generating a mean spectral vector for each pixel along the x-axis of the first region of interest by averaging along the y-axis corresponding to each pixel on the x-axis. In at least one embodiment, the method may further include the step of correcting each pixel within the second region of interest with the mean spectral vector to generate the mean spectra of the cigarette. In at least one embodiment, the cigarette may be classified as very low nicotine (VLN) or regular cigarette based on the mean spectra. In at least one embodiment, the step of correcting each pixel within the second region of interest may include discarding the corresponding pixel in the second region of interest if there is no element corresponding to the average spectrum vector. In at least one embodiment, the reflectance material may have an appropriate reflectance. In at least one embodiment, the reflectance material may be a SPECTRALON® 40% reflectance standard material.
또한, 본 명세서에서는 담배를 분석하는 방법이 설명된다. 상기 방법은 초분광 카메라로 담배를 영상화하여 영상을 획득하고, 획득된 영상을 분석하여 상기 담배 내 니코틴의 양을 정량화하는 단계를 포함할 수 있다. Additionally, the present specification describes a method for analyzing tobacco. The method may include the step of imaging the tobacco with a hyperspectral camera to acquire an image, and analyzing the acquired image to quantify the amount of nicotine in the tobacco.
또한, 본 명세서에서는 담배 내 적어도 하나의 화학 성분을 정량화하는 방법이 설명된다. 상기 방법은 초분광 카메라로 담배를 영상화하여 영상을 획득하고, 해당 영상을 분석하여 상기 적어도 하나의 화학 성분의 양을 정량화하는 단계를 포함할 수 있다.Additionally, the present specification describes a method for quantifying at least one chemical component in tobacco. The method may include the step of imaging tobacco with a hyperspectral camera to acquire an image, and analyzing the image to quantify the amount of said at least one chemical component.
적어도 하나의 실시예에서, 상기 적어도 하나의 화학 성분은 프로필렌 글리콜(propylene glycol) 또는 글리세린(glycerin) 중 적어도 하나일 수 있다.In at least one embodiment, the at least one chemical component may be at least one of propylene glycol or glycerin.
본 명세서에 기재된 비제한적 실시예들의 다양한 특징 및 장점은 첨부 도면과 함께 상세한 설명을 검토함으로써 보다 명확해질 수 있다. 첨부 도면은 단지 설명을 위한 것이며, 청구범위의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 별도의 명시가 없는 한, 첨부 도면은 축척에 맞게 그려진 것으로 간주되어서는 안 된다. 명확성을 위해 도면의 일부 치수는 과장되어 표현될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 초분광 영상화를 이용한 담배 영상화 및 분석 방법을 나타낸 도식이다.
도 2는 일 실시예에 따른 초분광 영상화를 이용하여 담배를 초저니코틴(VLN) 담배 또는 일반 담배로 분류하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 초분광 영상화를 이용한 담배 영상화 및 분석을 위한 시스템의 측면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 초분광 영상화를 이용한 담배 영상화에 사용되는 도 3의 시스템 장치의 측면도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 초분광 영상화를 이용하여 담배를 초저니코틴(VLN) 담배 또는 일반 담배로 분류하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 6A 및 도 6B는 일 실시예에 따른 초분광 영상화를 통한 담배를 영상화하기 위해 반사율 소재를 포함하는 담배 베일(bale) 표면의 영상이다.
도 7은 일 실시예에 따른 담배 베일의 스펙트럼 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 8은 일 실시예에 따른 초분광 영상화를 통해 담배를 VLN 담배 또는 일반 담배로 분류하기 위해 기계학습 알고리즘을 구현할 수 있는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)이다.
도 9는 일 실시예에 따른 초분광 영상화를 통해 영상화된 서로 다른 담배 품종 데이터 세트에 대한 선형 판별 분석(LDA) 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 일 실시예에 따른 초분광 영상화를 통해 영상화된 추가적인 서로 다른 담배 품종 데이터 세트에 대한 선형 판별 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 일 실시예에 따른 초분광 영상화를 통해 영상화된 서로 다른 담배 품종 데이터 세트에 대한 선형 판별 분석의 3차원 그래프이다.
도 12는 일 실시예에 따른 초분광 영상화를 통해 영상화된 VLN 및 일반 담배 품종 데이터 세트의 t-분포 확률적 이웃 임베딩(t-SNE) 시각화를 나타낸 그래프이다.
도 13은 일 실시예에 따른 초분광 영상화를 통해 영상화된 추가적인 VLN 및 일반 담배 품종 데이터 세트의 t-SNE 시각화를 나타낸 그래프이다.
14는 일 실시예에 따른 담배 내 니코틴 함량을 결정하기 위한 담배 분석 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 15는 일 실시예에 따른 담배 내 니코틴 함량을 결정하기 위한 또 다른 담배 분석 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 16은 일 실시예에 따른 초분광 영상화를 통해 영상화된 담배 데이터 세트에 대해 부분 최소 제곱(PLS) 회귀 구성 요소 대비 평균제곱근오차(RMSE)를 나타낸 그래프이다.
도 17은 일 실시예에 따른 초분광 영상화를 통해 영상화된 담배 데이터 세트에 대해 예측된 니코틴 백분���과 실제 측정된 니코틴 백분율을 나타낸 그래프이다.
도 18은 일 실시예에 따른 초분광 영상화를 통해 영상화된 담배 데이터 세트에 대해 예측 변수 대비 회귀 계수를 나타낸 그래프이다.
도 19는 일 실시예에 따른 초분광 영상화를 통해 영상화된 또 다른 담배 데이터 세트에 대해 예측 변수 대비 회귀 계수를 나타낸 그래프이다.
도 20은 일 실시예에 따른 담배 베일의 스펙트럼 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 21은 도 20의 그래프에 포함된 데이터를 나타낸 차트이다.
도 22는 일 실시예에 따른 담배 내 적어도 하나의 화학 성분 함량을 결정하기 위한 분석 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 23은 일 실시예에 따른 담배 내 적어도 하나의 화학 성분 함량을 결정하기 위한 또 다른 분석 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 24는 일 실시예에 따른 본 명세서에 설명된 방법들 중 하나를 구현하기 위한 컴퓨터 시스템의 블록도이다.The various features and advantages of the non-limiting embodiments described herein may become clearer by reviewing the detailed description together with the accompanying drawings. The accompanying drawings are for illustrative purposes only and should not be construed as limiting the scope of the claims. Unless otherwise noted, the accompanying drawings should not be construed as drawn to scale. For clarity, some dimensions in the drawings may be exaggerated.
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a method for imaging and analyzing tobacco using hyperspectral imaging according to one embodiment.
FIG. 2 is a flowchart illustrating a method for classifying cigarettes into very low nicotine (VLN) cigarettes or regular cigarettes using hyperspectral imaging according to one embodiment.
FIG. 3 is a side view of a system for tobacco imaging and analysis using hyperspectral imaging according to one embodiment.
FIG. 4 is a side view of the system device of FIG. 3 used for tobacco imaging using hyperspectral imaging according to one embodiment.
FIG. 5 is a flowchart illustrating a method for classifying cigarettes into very low nicotine (VLN) cigarettes or regular cigarettes using hyperspectral imaging according to one embodiment.
FIGS. 6A and 6B are images of the surface of a cigarette bale containing a reflective material for imaging a cigarette through hyperspectral imaging according to one embodiment.
FIG. 7 is a graph showing the spectral profile of a tobacco veil according to one embodiment.
FIG. 8 is a graphical user interface (GUI) that can implement a machine learning algorithm to classify tobacco into VLN tobacco or regular tobacco through hyperspectral imaging according to one embodiment.
FIG. 9 is a graph showing the results of linear discriminant analysis (LDA) for different tobacco variety datasets imaged through hyperspectral imaging according to one embodiment.
FIG. 10 is a graph showing the results of linear discriminant analysis for additional different tobacco variety data sets imaged through hyperspectral imaging according to one embodiment.
FIG. 11 is a three-dimensional graph of linear discriminant analysis for different tobacco variety datasets imaged through hyperspectral imaging according to one embodiment.
FIG. 12 is a graph showing the visualization of t-distribution stochastic neighborhood embeddings (t-SNE) of VLN and general tobacco variety datasets imaged through hyperspectral imaging according to one embodiment.
FIG. 13 is a graph showing the t-SNE visualization of additional VLN and general tobacco variety datasets imaged through hyperspectral imaging according to one embodiment.
14 is a flowchart illustrating a tobacco analysis method for determining the nicotine content in tobacco according to one embodiment.
FIG. 15 is a flowchart illustrating another tobacco analysis method for determining the nicotine content in tobacco according to one embodiment.
FIG. 16 is a graph showing the root mean square error (RMSE) against the partial least squares (PLS) regression component for a tobacco dataset imaged through hyperspectral imaging according to one embodiment.
FIG. 17 is a graph showing the predicted nicotine percentage and the actual measured nicotine percentage for a tobacco data set imaged through hyperspectral imaging according to one embodiment.
FIG. 18 is a graph showing regression coefficients relative to predictors for a tobacco dataset imaged through hyperspectral imaging according to one embodiment.
FIG. 19 is a graph showing regression coefficients relative to predictors for another tobacco dataset imaged through hyperspectral imaging according to one embodiment.
FIG. 20 is a graph showing the spectral profile of a tobacco veil according to one embodiment.
Figure 21 is a chart showing the data included in the graph of Figure 20.
FIG. 22 is a flowchart illustrating an analysis method for determining the content of at least one chemical component in tobacco according to one embodiment.
FIG. 23 is a flowchart illustrating another analysis method for determining the content of at least one chemical component in tobacco according to one embodiment.
FIG. 24 is a block diagram of a computer system for implementing one of the methods described in this specification according to one embodiment.
본 명세서에서는 일부 상세한 실시예들이 개시된다. 그러나 여기에서 개시된 구체적인 구조적 및 기능적 세부사항은 단지 실시예를 설명하기 위한 대표적인 것에 불과하���. ���시예��� 다양한 ���른 형태로 구현될 수 있으며, 본 명세서에 제시된 실시예들로만 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.Some detailed embodiments are disclosed herein. However, the specific structural and functional details disclosed herein are merely representative for illustrating the embodiments. Embodiments may be implemented in various other forms and should not be construed as being limited only to the embodiments presented herein.
따라서, 실시예는 다양한 수정 및 대체 형태가 가능하며, 본 명세에서는 그 예가 도면을 통해 제시되고 상세히 설명된다. 그러나 실시예를 특정하게 개시된 형태로 한정하려는 의도는 없으며, 오히려 본 실시예는 그 범위 내에 포함되는 모든 변형, 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면 설명 전반에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 지칭한다.Accordingly, various modifications and alternative forms are possible for the embodiments, and examples thereof are presented and described in detail in the drawings herein. However, there is no intention to limit the embodiments to the specifically disclosed forms; rather, the embodiments should be understood to include all variations, equivalents, and alternatives that fall within the scope thereof. Throughout the description of the drawings, the same reference numerals refer to the same components.
하나의 요소(element) 또는 층이 다른 요소 또는 층 "위에", "체결된"(engaged), "연결된", "결합된" 또는 덮는 것으로 지칭된 경우, 이는 다른 요소 또는 층에 직접적으로 바로 위에 있거나, 바로 체결되거나, 바로 연결되거나 바로 결합되거나 바로 덮을 수 있거나 중간 요소 또는 층이 존재할 수 있다. 반면, 하나의 요소가 다른 요소 또는 층의 "직접적으로 위에", "직접적으로 체결된", "직접적으로 연결된" 또는 "직접적으로 결합된" 것으로 지칭된 경우, 중간 요소 또는 층이 없을 수 있다. 본 출원 명세서에 사용된 바와 같이 용어 "및/또는"은 관련하여 열거된 항목들 중 하나 이상의 임의 조합 및 모든 조합을 포함한다.Where one element or layer is referred to as being "on," "engaged," "connected," "combined," or covering another element or layer, it may be directly on, directly engaged with, directly connected with, directly combined with, or directly covering the other element or layer, or an intermediate element or layer may exist. Conversely, where one element is referred to as being "directly on," "directly engaged with," "directly connected with," or "directly combined" with another element or layer, there may be no intermediate element or layer. As used in this application specification, the term "and/or" includes any combination of one or more of the items enumerated in relation thereto and all combinations thereof.
본 출원 명세서에서, 제1, 제2, 제3 등의 용어는 다양한 요소, 영역, 층 및/또는 섹션을 설명하기 위해 사용될 수 있으나, 이러한 요소, 영역, 층 및/또는 섹션은 이러한 용어에 의해 한정되지 않아야 한다. 이러한 용어는 하나의 요소, 영역, 층 또는 섹션을 다른 요소, 영역, 층 또는 섹션으로부터 구별하기 위한 용도로만 사용될 수 있다. 그러므로 이하에 논의되는 제1 요소, 제1 영역, 제1층 또는 제1 섹션은 실시예들의 교시를 벗어나지 않고 제2 요소, 제2 영역, 제2 층 또는 제2 섹션을 지칭할 수 있다.In this application specification, terms such as first, second, third, etc., may be used to describe various elements, regions, layers, and/or sections, but such elements, regions, layers, and/or sections should not be limited by such terms. Such terms may be used only to distinguish one element, region, layer, or section from another element, region, layer, or section. Therefore, the first element, first region, first layer, or first section discussed below may refer to the second element, second region, second layer, or second section without departing from the teachings of the embodiments.
"아래쪽", "아래에", "하부", "위(쪽)에", "상부" 등과 같은 공간 관련 상대적인 용어는 하나의 요소 또는 특징이 도면에 도시된 다른 요소(들) 또는 특징(들)에 대하여 갖는 관계를 용이하게 설명하기 위해 본 출원 명세서에 사용될 수 있다. 공간 관련 상대적인 용어는 도면에 표시된 배향(orientation)에 더하여, 사용 또는 작동 시 장치의 다른 배향을 포함하는 것으로 의도될 수 있다. 예를 들어, 도면에서 장치가 뒤집어 져 있는 경우, 다른 요소 또는 특징의 "아래에" 또는 "아래쪽에"로 설명된 요소는 다른 요소 또는 특징의 "위"가 된다. 그러므로 "아래에"라는 예시적 용어는 아래와 위, 양 방향을 모두 포함할 수 있다. 장치는 다른 방식으로 배향될 수 있고(90도 회전 또는 다른 방향으로), 본 출원 명세서에 사용된 공간 관련 설명도 그에 따라 해석될 수 있다.Spatial relative terms such as "below," "below," "lower," "above," and "upper" may be used in this application specification to facilitate the description of the relationship that one element or feature has with respect to other element(s) or feature(s) depicted in the drawings. Spatial relative terms may be intended to include other orientations of the device during use or operation in addition to the orientation shown in the drawings. For example, if the device is inverted in the drawings, an element described as "below" or "below" of another element or feature becomes "above" of that other element or feature. Therefore, the exemplary term "below" may include both the lower and upper directions. The device may be oriented in other ways (rotated 90 degrees or in other directions), and spatial descriptions used in this application specification may be interpreted accordingly.
본 명세서에 사용된 용어는 다양한 실시에를 설명할 목적으로 사용된 것으로서 실시예를 제한하려는 것은 아���다. 본 출원 명세서에 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 명확하게 달리 언급하지 않는 한 복수 형태도 마찬가지로 포함하는 것으로 의도될 수 있다. 용어, "포함하다", "포함하는", "구비하는" 및 "가지는"은 포괄의 의미로서, 언급된 특징, 정수, 단계, 작동, 및/도는 요소가 있다는 것을 나타내나, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 작동, 요소, 및/또는 이들의 그룹이 존재하거나 추가되는 경우를 배제하지 않는다. The terms used in this specification are for the purpose of describing various embodiments and are not intended to limit the embodiments. As used in this application specification, the singular form is intended to likewise include the plural form unless the context clearly indicates otherwise. The terms “include,” “comprising,” “having,” and “having” are in a comprehensive sense and indicate that the mentioned features, integers, steps, operations, and/or elements are present, but do not exclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, and/or groups thereof.
본 명세서에서 수치값과 관련하여 "약" 또는 "실질적으로"라는 용어가 사용되는 경우, 이는 명시된 수치값 주변에 제조 또는 작동 공차(예: ±10%)가 포함됨을 의미한다. 또한 기하학적 형상과 관련하여 "대체로" 또는 "실질적으로"라는 용어가 사용되는 경우, 해당 형상의 정확성이 반드시 요구되는 것은 아니며 일정 범위의 변형이 본 개시의 범위에 포함됨을 의미한다. 나아가, 수치값이나 형상이 "약", "대체로" 또는 "실질적으로"와 같은 용어로 수식되는 경우, 이들 수치값이나 형상은 언급된 수치값 또는 형상에 대해 제조 또는 작동 공차(예: ±10%)를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.Where the terms “about” or “substantially” are used in relation to numerical values in this specification, it implies that manufacturing or operating tolerances (e.g., ±10%) are included around the specified numerical value. Furthermore, where the terms “generally” or “substantially” are used in relation to geometric shapes, it implies that the accuracy of such shapes is not required and that a certain range of variation is included within the scope of this disclosure. Moreover, where numerical values or shapes are modified by terms such as “about,” “generally,” or “substantially,” these numerical values or shapes should be interpreted as including manufacturing or operating tolerances (e.g., ±10%) with respect to the mentioned numerical values or shapes.
달리 정의되지 않는 한, 본 문서에서 사용되는 모든 용어(기술적·과학적 용어를 포함)는 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 또한 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 용어들 역시 관련 기술 분야에서의 의미와 일관되게 해석되어야 하며, 본 문서에서 명시적으로 정의되지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되어서는 안 된다.Unless otherwise defined, all terms used in this document (including technical and scientific terms) shall have the same meaning as generally understood by a person of ordinary skill in the relevant technical field. Additionally, terms defined in commonly used dictionaries shall also be interpreted consistently with their meanings in the relevant technical field and shall not be interpreted in an ideal or overly formal sense unless explicitly defined in this document.
본 명세서에서 사용되는 "결합된"이라는 용어는 탈착 가능하게 결합된 경우와 영구적으로 결합된 경우를 모두 포함한다. 예를 들어, 탄성층(elastic layer)과 지지층(support layer)이 탈착 가능하게 결합된 경우, 충분한 힘이 가해지면 탄성층과 지지층은 서로 분리될 수 있다.As used herein, the term "bonded" includes both cases where they are detachably bonded and cases where they are permanently bonded. For example, if an elastic layer and a support layer are detachably bonded, the elastic layer and the support layer can be separated from each other when sufficient force is applied.
하드웨어는 하나 이상의 프로세서, 하나 이상의 중앙처리장치(CPU), 하나 이상의 마이크로컨트롤러, 하나 이상의 산술논리장치(ALU), 하나 이상의 디지털 신호 프로세서(DSP), 하나 이상의 마이크로컴퓨터, 하나 이상의 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA), 하나 이상의 시스템 온 칩(SoC), 하나 이상의 프로그래머블 로직 유닛(PLU), 하나 이상의 마이크로프로세서, 하나 이상의 주문형 집적회로(ASIC), 또는 정의된 방식으로 명령에 응답하거나 및/또는 이를 실행할 수 있는 기타 장치 등을 포함하는 처리 또는 제어 회로를 이용하여 구현될 수 있다.Hardware may be implemented using processing or control circuits including one or more processors, one or more central processing units (CPUs), one or more microcontrollers, one or more arithmetic logic units (ALUs), one or more digital signal processors (DSPs), one or more microcomputers, one or more field programmable gate arrays (FPGAs), one or more system-on-chip (SoCs), one or more programmable logic units (PLUs), one or more microprocessors, one or more application-specific integrated circuits (ASICs), or other devices capable of responding to and/or executing instructions in a defined manner.
설명을 위한 예로서, 본 시스템은 담배 가공 및 제품 개발 과정에서의 적용을 기준으로 설명되지만, 실질적으로 동일한 시스템은 다른 농산물의 가공 및 제품 개발에도 적용될 수 있다. 담배는 담배 베일(bale) 형태로 포장되며, 재배자로부터 등급이 매겨져 구매된다. 담배 베일은 담배 잎과 줄기를 단단한 끈이나 철사로 단단히 묶거나, 또는 상자에 느슨하게 포장한 대형의 대체로 직사각형 형태의 패키지이다. 일반적인 벌리(Burley) 또는 버지니아(Virginia) 담배 베일은 한 변의 길이가 약 1.2미터 이상이며, 이에 대응하는 부피는 약 1.7세제곱미터 정도일 수 있다.For illustrative purposes, this system is described based on its application in the tobacco processing and product development process, but substantially the same system can be applied to the processing and product development of other agricultural products. Tobacco is packaged in the form of tobacco bales and purchased from growers after being graded. A tobacco bale is a large, generally rectangular package in which tobacco leaves and stems are tightly bound with a tight string or wire, or loosely packed in a box. A typical Burley or Virginia tobacco bale has sides of at least 1.2 meters in length, and the corresponding volume can be about 1.7 cubic meters.
초분광 영상화(hyperspectral imaging)에서는 샘플을 전자기 복사에 노출시켜 샘플의 시야(field of view)를 스캔하여 영상(image)을 획득한다. 초분광 스캐닝 및 영상화 과정에서는 다양한 파장과 주파수에서 전자기 복사를 방출하는 물체들의 다수의 스펙트럼 영상을 한 번에 하나씩 하지만 매우 빠른 연속적인 방식으로 생성하고 수집하여 방대한 양의 데이터가 축적되며 이때 상기 파장과 주파수는 상기 물체가 방출하는 전체 초분광 스펙트럼의 상이한 선택된 부분 또는 대역과 관련된다. 초분광 영상화 및 분석 시스템은 매우 빠른 속도로 동작하여, 기존의 일반적인 스펙트럼 영상화 및 분석으로는 근본적으로 얻기 어려운, 매우 높은 분해능의 스펙트럼 및 공간 데이터와 정보를 높은 정확도와 정밀도로 제공할 수 있. In hyperspectral imaging, an image is acquired by exposing a sample to electromagnetic radiation and scanning its field of view. During the hyperspectral scanning and imaging process, multiple spectral images of objects emitting electromagnetic radiation at various wavelengths and frequencies are generated and collected one at a time in a very rapid, continuous manner, accumulating a vast amount of data; in this context, the wavelengths and frequencies relate to different selected portions or bands of the entire hyperspectral spectrum emitted by the object. Hyperspectral imaging and analysis systems operate at very high speeds, enabling them to provide spectral and spatial data and information with very high resolution and precision—which is fundamentally difficult to obtain with conventional spectral imaging and analysis methods.
일반적으로, 초분광 영상화에서 사용되는 빛과 같은 전자기 복사(electromagnetic radiation)가 물체에 입사되면, 해당 전자기 복사는 물체를 구성하는 물리적, 화학적 및/또는 생물학적 성분에 의해 영향을 받는다. 이러한 영향은 전자기 복사의 흡수, 확산, 반사, 회절, 산란 및/또는 투과 등의 메커니즘의 조합을 통해 나타�� 수 있다. 또한 유기 화학 성분을 포함하는 물체는 자외선(UV), 가시광(VIS), 적외선(IR)과 같은 전자기 복사 또는 빛에 의해 조사될 때 일반적으로 어느 정도의 형광(fluorescence) 및/또는 인광(phosphorescence) 특성을 나타낸다. 이와 같이 영향을 받은 전자기 복사(즉, 물체로부터 확산, 반사, 회절, 산란 및/또는 투과되어 방출된 전자기 복사)는 일반적으로 물체의 물리적, 화학적 및/또는 생물학적 특성과, 특히 그 물체의 화학적 성분과 직접적이고 고유하게 연관되어 있다. 따라서 이는 물체를 식별하고 특성화하기 위한 고유한 스펙트럼 지문(spectral fingerprint) 또는 시그니처 패턴을 형성한다.Generally, when electromagnetic radiation, such as the light used in hyperspectral imaging, is incident on an object, that radiation is influenced by the physical, chemical, and/or biological components constituting the object. These influences can manifest through a combination of mechanisms such as absorption, diffusion, reflection, diffraction, scattering, and/or transmission of the electromagnetic radiation. Additionally, objects containing organic chemical components typically exhibit some degree of fluorescence and/or phosphorescence when irradiated with electromagnetic radiation or light, such as ultraviolet (UV), visible light (VIS), and infrared (IR). The electromagnetic radiation thus affected (i.e., electromagnetic radiation emitted via diffusion, reflection, diffraction, scattering, and/or transmission from the object) is generally directly and uniquely associated with the object's physical, chemical, and/or biological properties, particularly its chemical composition. Consequently, this forms a unique spectral fingerprint or signature pattern for identifying and characterizing the object.
일반적인 스펙트럼 영상화 시스템은 자동화된 측정 시스템과 분석 소프트웨어로 구성된다. 자동화된 측정 시스템은 광학 장치, 기계 장치, 전자 장치, 주변 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하며, 일반적으로 조명(illuminating source)을 이용하여 장면(scene) 또는 샘플을 조사한 후, 해당 장면 또는 샘플 내 물체로부터 예를 들어 형광 형태로 방출되는 빛을 측정하고 수집하며, 측정 결과로부터 원하는 결과를 추출하기 위한 적절한 보정 기법을 적용한다. 분석 소프트웨어는 장면 또는 샘플 내 물체에 대한 유용한 결과를 의미 있는 형태로 분석, 표시 및 제공하기 위한 소프트웨어와 수학적 알고리즘을 포함한다.A typical spectral imaging system consists of an automated measurement system and analysis software. The automated measurement system includes optical devices, mechanical devices, electronic devices, peripheral hardware, and software; generally, it illuminates a scene or sample using an illuminating source, measures and collects light emitted from objects within that scene or sample—for example, in the form of fluorescence—and applies appropriate calibration techniques to extract desired results from the measurement results. The analysis software includes software and mathematical algorithms for analyzing, displaying, and providing useful results regarding objects within the scene or sample in a meaningful form.
장면 또는 샘플의 초분광 영상은 시판되는 초분광 카메라를 사용하거나, 사용자 요구에 따라 맞춤 제작된 초분광 카메라를 통해 획득될 수 있다.Hyperspectral images of a scene or sample can be acquired using a commercially available hyperspectral camera or a hyperspectral camera custom-made according to user requirements.
각 스펙트럼 영상(spectral image)은 복셀(voxel, volume pixel)로 구성된 3차원 데이터 세트(set)로서 두 차원은 물체 내의 공간 좌표 또는 위치 (x, y)를 나타내고, 세 번째 차원은 물체에서 방출되거나 반사된 빛의 파장 (A)을 나타낸다. 따라서 스펙트럼 영상의 각 복셀의 좌표는 (x, y, A)로 표현될 수 있다. 물체의 영상화된 빛의 특정 파장(A)은 물체의 스펙트럼 특징을 2차원(예: x축 및 y축)으로 나타내는 스펙트럼 영상 세트와 연관되며, 해당 파장 값을 가진 복셀들은 그 파장에서의 물체에 대한 단색 영상(monochromatic image)의 픽셀들을 구성한다. 물체의 영상화된 빛의 다양한 파장 범위를 특징으로 하는 각 스펙트럼 영상은 분석되어 장면 또는 샘플에서 물체 및/또는 물체 성분의 기하학적 형상, 형태 또는 구성, 치수 및/또는 화학적 조성과 같은 하나 이상의 물리화학적 특성에 대한 2차원 지도를 생성한다.Each spectral image is a three-dimensional dataset composed of voxels (volume pixels), where two dimensions represent spatial coordinates or positions (x, y) within an object, and the third dimension represents the wavelength (A) of light emitted or reflected from the object. Thus, the coordinates of each voxel in the spectral image can be expressed as (x, y, A). A specific wavelength (A) of the object's imaged light is associated with a set of spectral images representing the object's spectral features in two dimensions (e.g., x-axis and y-axis), and the voxels with that wavelength value constitute the pixels of a monochromatic image of the object at that wavelength. Each spectral image, characterized by a range of wavelengths of the object's imaged light, is analyzed to generate a two-dimensional map of one or more physicochemical properties, such as the geometric shape, form or configuration, dimensions, and/or chemical composition of the object and/or object components in a scene or sample.
초분광 영상화에서, 각 물체의 다중 영상은 물체가 방출하거나 반사하는 전체 스펙트럼의 서로 다른 선택된 부분 또는 대역과 연관된 파장 및 주파수를 갖는, 물체의 방출 또는 반사되는 전자기 복사로부터 생성된다. 예를 들어, 물체의 초분광 영상화는 물체가 방출/반사하는 전체 스펙트럼의 다음 대역 중 하나 이상과 연관된 파장 및 주파수를 갖는 물체의 방출/반사된 전자기 복사로부터 생성된다: 약 400~700나노미터의 파장 범위를 갖는 가시광선 대역, 약 700~3000나노미터의 파장 범위를 갖는 적외선 대역, 그리고 약 3~12마이크론의 파장 범위를 갖는 심적외선 대역. 초분광 영상화 시 적절한 파장과 파장 범위를 사용하면, 초분광 영상화의 데이터와 정보를 최적으로 활용하여 예를 들어, 초분광 영상의 픽셀들에 존재하는 다양한 시그니처 스펙트럼을 분석함으로써, 영상화된 객체 및/또는 물질을 식별, 구분, 분류 및 정량화할 수 있다.In hyperspectral imaging, multiple images of each object are generated from the electromagnetic radiation emitted or reflected by the object, having wavelengths and frequencies associated with different selected parts or bands of the entire spectrum emitted or reflected by the object. For example, hyperspectral imaging of an object is generated from the electromagnetic radiation emitted or reflected by the object, having wavelengths and frequencies associated with one or more of the following bands of the entire spectrum emitted or reflected by the object: a visible light band with a wavelength range of about 400 to 700 nanometers, an infrared band with a wavelength range of about 700 to 3000 nanometers, and a deep infrared band with a wavelength range of about 3 to 12 microns. By using appropriate wavelengths and wavelength ranges in hyperspectral imaging, the data and information of hyperspectral imaging can be optimally utilized to identify, distinguish, classify, and quantify the imaged object and/or material, for example, by analyzing the various signature spectra present in the pixels of the hyperspectral image.
100밀리초 미만의 시간 규모(time scale)에서 발생하는 반복 가능 또는 비반복적인 다양한 화학적 및 물리적 프로세스를 분석하기 위해서는 고속 초분광 영상화 시스템이 요구되는 경우가 많다. 이러한 프로세스는 일반적인 초분광 영상화 기법으로는 연구가 어려운 경우가 많다. 예를 들어, 연소 반응, 임펄스 분광 전기화학 실험, 비탄성 고분자 변형 등이 이에 해당한다. 또한 위성이나 항공기와 같이 빠르게 이동하는 플랫폼에서 먼 거리의 물체를 원격 탐지하는 경우 역시 빠르게 변화하고 반복이 어려운 관측 대상이므로 고속 초분광 영상화가 필요하다.High-speed hyperspectral imaging systems are often required to analyze various repeatable or non-repetitive chemical and physical processes occurring on time scales of less than 100 milliseconds. These processes are often difficult to study using conventional hyperspectral imaging techniques. Examples include combustion reactions, impulse spectroscopic electrochemical experiments, and inelastic polymer deformation. Furthermore, high-speed hyperspectral imaging is also necessary for remote sensing distant objects from fast-moving platforms, such as satellites or aircraft, as the observation targets are rapidly changing and difficult to repeat.
도 1을 참조하면, 담배 베일(105)을 영상화하는(imaging) 프로세스(100)가 도시되어 있다. 담배 베일(105)은 재배자로부터 인도된 후 컨베이어 벨트(110)에 적재될 수 있다. 컨베이어 벨트(110)는 담배 베일(105)을 이동시키도록 구성된 롤러를 포함할 수 있다. 컨베이어 벨트(110)가 이동함에 따라 담배 베일(105)은 근적외선(NIR) 광원(115)과 초분광 카메라(120) 아래를 통과하게 된다. 담배 베일(105)의 NIR 초분광 영상화에 대한 추가적인 설명은 아래에서 상세히 다룬다. 담배 베일(105)이 초분광 카메라(120)를 통과한 후에는, 수분 측정기(moisture meter)(125) 및 중량 측정기(weigh scale)(130) 아래 및/또는 위를 추가로 통과할 수 있으며, 이후 등급 평가자(135) 및/또는 재배자(140)에 ���해 검사될 수 있다. 수분 측정기(125)는 시판되는 장치를 사용할 수 있다. 이후 담배 베일(105)은 컨베이어 벨트(110)에서 이동되어 작물 보호제 보관 구역(CPA hold)(145) 또는 운송 컨테이너(150)로 옮겨질 수 있다.Referring to FIG. 1, a process (100) for imaging a tobacco bale (105) is illustrated. The tobacco bale (105) may be loaded onto a conveyor belt (110) after being delivered from a grower. The conveyor belt (110) may include rollers configured to move the tobacco bale (105). As the conveyor belt (110) moves, the tobacco bale (105) passes under a near-infrared (NIR) light source (115) and a hyperspectral camera (120). Further description of the NIR hyperspectral imaging of the tobacco bale (105) is provided below. After the tobacco bale (105) passes through the hyperspectral camera (120), it may further pass under and/or above a moisture meter (125) and a weight scale (130), and subsequently be inspected by a grader (135) and/or grower (140). A commercially available moisture meter (125) can be used. The tobacco bale (105) can then be moved on the conveyor belt (110) to a crop protection holding area (CPA hold) (145) or a transport container (150).
도 2를 참조하면, 담배를 분류하는 방법(200)의 흐름도가 도시되어 있다. 일부 실시예에서 분류 대상 담배는 담배 베일(105)과 같은 베일 형태일 수 있으며, 다른 실시예에서는 베일이 아닌 다른 형태일 수도 있다. 방법(200)은 담배의 영상화(image)(영상 획득)를 위해 컨베이어 벨트(110)에 적재될 때 시작될 수 있다. 단계 205에서 담배는 초분광 카메라(120)에 의해 영상화된다(imaged). 이 단계 205에서 담배의 영상이 획득될 수 있다. 영상 획득 후, 단계 210에서 담배는 분류된다. 담배는 획득된 영상(image)을 기반으로 초저니코틴(VLN: very-low nicotine) 담배 또는 일반 담배(traditional tobacco)로 분류될 수 있다. 이러한 분류는 적어도 프로세서와 메모리를 포함하는 영상 처리 시스템에 의해 수행될 수 있다.Referring to FIG. 2, a flowchart of a method (200) for classifying tobacco is illustrated. In some embodiments, the tobacco to be classified may be in the form of a veil, such as a tobacco veil (105), and in other embodiments, it may be in a form other than a veil. The method (200) may be initiated when the tobacco is loaded onto a conveyor belt (110) for image acquisition. In step 205, the tobacco is imaged by a hyperspectral camera (120). An image of the tobacco may be acquired in this step 205. After image acquisition, the tobacco is classified in step 210. Based on the acquired image, the tobacco may be classified as very-low nicotine (VLN) tobacco or traditional tobacco. This classification may be performed by an image processing system comprising at least a processor and memory.
도 3은 담배 베일(105)의 초분광 영상화 및 분석을 수행할 수 있는 시스템(300)을 나타낸다. 시스템(300)은 영상 처리 시스템일 수 있으며, 영상화 프로세서에서 빛을 제공하기 위한 하나 이상의 광원(305)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 광원(305)은 담배 베일(105)이 컨베이어 벨트(110)의 일부인 플랫폼(315)에 위치할 때 해당 베일에 대한 위치를 조정하기 위해 암(arm)(310)에 장착될 수 있다. 일부 실시예에서, 암(310)은 캐비닛(325)의 프레임(320)에 장착될 수 있다. 암(310)은 캐비닛(325)의 프레임(320)에 고정식이거나 이동 가능하게 배치될 수 있다.FIG. 3 illustrates a system (300) capable of performing hyperspectral imaging and analysis of a tobacco bale (105). The system (300) may be an image processing system and may include one or more light sources (305) for providing light to an imaging processor. In some embodiments, one or more light sources (305) may be mounted on an arm (310) to adjust the position of the bale when the tobacco bale (105) is located on a platform (315) which is part of a conveyor belt (110). In some embodiments, the arm (310) may be mounted on a frame (320) of a cabinet (325). The arm (310) may be fixed or movably positioned on the frame (320) of the cabinet (325).
적어도 하나의 실시예에서, 하나 이상의 광원(305)은 하나 이상의 파장에서 전자기 복사(electromagnetic radiation) 빔을 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 광원(305)은 텅스텐, 할로겐, 수은, 자외선(UV), 또는 제논(Xenon) 광원일 수 있다.In at least one embodiment, one or more light sources (305) may provide a beam of electromagnetic radiation at one or more wavelengths. In some embodiments, one or more light sources (305) may be tungsten, halogen, mercury, ultraviolet (UV), or xenon light sources.
시스템(300)은 또한 초분광 카메라(330)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서 초분광 카메라(330)는 위에서 설명한 초분광 카메라(120)와 동일하거나 유사할 수 있다. 초분광 카메라(330)는 담배 베일(105)이 초분광 카메라(330) 아래에서 플랫폼(315)에 위치할 때 해당 담배 베일(105)을 영상화하도록 구성될 수 있다.The system (300) may also include a hyperspectral camera (330). In some embodiments, the hyperspectral camera (330) may be the same or similar as the hyperspectral camera (120) described above. The hyperspectral camera (330) may be configured to image the tobacco veil (105) when the tobacco veil (105) is positioned on the platform (315) below the hyperspectral camera (330).
시스템(300)은 또한 시스템 데이터를 신속하게 처리할 수 있는 프로세서와 메모리를 갖춘 컴퓨터(335)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 컴퓨터(335)는 담배 베일(105)을 초저니코틴(VLN) 또는 일반 담배로 분류하도록 구성될 수 있다. 컴퓨터(335)는 시스템(300)의 작동 및 구성 요소(예: 하나 이상의 광원(305)과 초분광 카메라(330))의 위치 제어를 담당할 수 있다. 전원 공급 장치(power source)(340)는 컴퓨터(335)에 연속적인 전원을 제공할 수 있으며, 이러한 장치는 상용으로 쉽게 구할 수 있다. 일반적으로 컴퓨터(335)는 키보드(345)와 모니터(350)를 포함하여 사용자(355)가 입력 및 시스템 모니터링을 수행할 수 있도록 할 수 있다. 전원 공급 장치(340)는 시스템(300)에 안정적이고 제어된 전원을 공급하기 위해 제공될 수 있다.The system (300) may also include a computer (335) equipped with a processor and memory capable of rapidly processing system data. In some embodiments, the computer (335) may be configured to classify the tobacco veil (105) as very low nicotine (VLN) or regular cigarette. The computer (335) may be responsible for the operation of the system (300) and the position control of its components (e.g., one or more light sources (305) and hyperspectral cameras (330)). A power source (340) may provide continuous power to the computer (335), and such a device may be readily available commercially. Generally, the computer (335) may include a keyboard (345) and a monitor (350) to allow a user (355) to perform input and system monitoring. The power source (340) may be provided to supply stable and controlled power to the system (300).
도 4를 참조하면, 담배 베일(105)이 캐비닛(325) 내에 위치한 시스템(300)이 도시되어 있다. 하나 이상의 광원(305)은 두 개의 광원이 될 수 있으며, 초분광 카메라(330)는 담배 베일(105) 위쪽에 위치할 수 있고, 담배 베일의 적어도 일부를 영상화하도록 구성될 수 있다. 담배 영상화 및 분류에 대한 추가 세부 ���항은 도 5, 6A 및 6B를 참조하여 설명된다.Referring to FIG. 4, a system (300) in which a cigarette bale (105) is located within a cabinet (325) is illustrated. One or more light sources (305) may be two light sources, and a hyperspectral camera (330) may be positioned above the cigarette bale (105) and configured to image at least a portion of the cigarette bale. Further details regarding cigarette imaging and classification are described with reference to FIG. 5, 6A and 6B.
도 5를 참조하면, 담배 영상화 및 분류 방법(500)의 흐름도가 도시되어 있다. 방법(500)은 방법(200)을 보다 상세히 설명할 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 방법(500)은 위에서 설명한 영상 처리 시스템에 의해 수행될 수 있다. 단계 505에서, 반사율 소재(reflectance material)가 담배 위에 배치될 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서 담배는 담배 베일(105)일 수 있으며, 반사율 소재는 SPECTRALON® 소재일 수 있다. 반사율 소재는 등급 평가자(135)와 같은 사람이 배치하거나, 시스템(300)의 기계나 장치를 통해 배치될 수 있다. 도 6A에 도시된 것처럼, 반사율 소재(605)는 담배 베일(105)의 직사각형 영역(rectangular area)(610)에 배치될 수 있다. 일부 실시예에서 반사율 소재(605)는 SPECTRALON® 40% 반사율 표준 소재일 수 있다.Referring to FIG. 5, a flowchart of a tobacco imaging and classification method (500) is illustrated. The method (500) may describe the method (200) in more detail. In at least one embodiment, the method (500) may be performed by the image processing system described above. In step 505, a reflectance material may be placed over the tobacco. In at least one embodiment, the tobacco may be a tobacco veil (105), and the reflectance material may be a SPECTRALON® material. The reflectance material may be placed by a person such as a grader (135) or through a machine or device of the system (300). As illustrated in FIG. 6A, the reflectance material (605) may be placed in a rectangular area (610) of the tobacco veil (105). In some embodiments, the reflectance material (605) may be a SPECTRALON® 40% reflectance standard material.
반사율 소재(605)가 담배 베일(105)에 배치된 후, 단계 510에서 영상 처리 시스템의 프로세서에 의해 제1 관심 영역(first region of interest)이 정의될 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서 영상 처리 시스템은 도 3의 컴퓨터(335)와 같은 컴퓨터 시스템일 수 있다. 도 6B에 도시된 것처럼, 제1 관심 영역(615)은 담배 위에 배치된 반사율 소재(605)의 일 부분일 수 있다.After the reflective material (605) is placed on the cigarette veil (105), a first region of interest may be defined by a processor of an image processing system in step 510. In at least one embodiment, the image processing system may be a computer system such as the computer (335) of FIG. 3. As shown in FIG. 6B, the first region of interest (615) may be a part of the reflective material (605) placed on the cigarette.
도 5로 다시 돌아가면, 단계 515에서 제2 관심 영역(second region of interest)이 프로세서에 의해 정의될 수 있다. 도 6B에 도시된 것처럼, 제2 관심 영역(620)은 반사율 소재(605)를 포함하지 않는 담배의 일 부분 또는 영역일 수 있다.Returning to FIG. 5, in step 515, a second region of interest may be defined by the processor. As illustrated in FIG. 6B, the second region of interest (620) may be a part or region of the cigarette that does not contain the reflective material (605).
단계 520에서 담배는 초분광 카메라(330)로 영상화될 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 광원(305)은 담배가 초분광 카메라(330)에 의해 영상화되는 동안 조명될 수 있다. 일부 실시예에서, 초분광 카메라(330)는 담배의 직사각형 영역(610)을 영상화하도록 구성될 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서 직사각형 영역(610)은 담배의 약 12인치 × 30인치 영역일 수 있다. 제1 관심 영역(615)과 제2 관심 영역(620) 모두 담배의 직사각형 영역(610) 내에 위치할 수 있다.In step 520, the cigarette may be imaged by a hyperspectral camera (330). In some embodiments, one or more light sources (305) may be illuminated while the cigarette is being imaged by the hyperspectral camera (330). In some embodiments, the hyperspectral camera (330) may be configured to image a rectangular area (610) of the cigarette. In at least one embodiment, the rectangular area (610) may be an area of about 12 inches × 30 inches of the cigarette. Both the first region of interest (615) and the second region of interest (620) may be located within the rectangular area (610) of the cigarette.
담배가 초분광 카메라(330) 아래에서 직선으로 이동함에 따라, 한 줄(line)의 영상이 획득된다. 초분광 카메라(330)는 담배가 카메라 아래를 이동하는 동안 한 줄의 영상을 획득하며 직사각형 영역(610)이 완전히 영상화될(촬영될) 때까지 이 과정을 수행한다. 이렇게 얻어진 한 줄 영상들은 프로세서에 의해 결합되어 담배의 초분광 영상(hyperspectral image)을 생성한다. 초분광 영상은 초분광 카메라가 촬상(capture)한 각 스펙트럼 파장에 대해 담배 표면의 2차원 영상을 나타낼 수 있다. 영상 처리 시스템은 또한 컨베이어 벨트 위에서 초분광 카메라 아래로 이동하는 담배의 움직임을 추적하여 일관된 영상을 획득하도록 보장할 수 있다. 초분광 영상은 본 명세서에서 영상(image) 또는 초분광 카메라에 의해 획득된 영상을 가리킬 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 영상은 전처리(preprocessing)를 거쳐 처음 네 개와 마지막 네 개의 스펙트럼 밴드를 제거하여 영상의 총 스펙트럼 밴드 수를 줄일 수 있다. 예를 들어, 총 스펙트럼 밴드 수를 168개에서 160개로 줄일 수 있다. 초분광 카메라로부터 영상을 얻는 프로세서는 관련 기술자에게 알려진 기술이다.As the cigarette moves in a straight line under the hyperspectral camera (330), a line of images is acquired. The hyperspectral camera (330) acquires a line of images while the cigarette moves under the camera and continues this process until a rectangular area (610) is fully imaged (captured). The line of images thus obtained are combined by a processor to generate a hyperspectral image of the cigarette. The hyperspectral image may represent a two-dimensional image of the cigarette surface for each spectral wavelength captured by the hyperspectral camera. The image processing system may also ensure that a consistent image is acquired by tracking the movement of the cigarette moving under the hyperspectral camera on a conveyor belt. The hyperspectral image may refer herein to an image or an image acquired by the hyperspectral camera. In at least one embodiment, the image may undergo preprocessing to remove the first four and last four spectral bands to reduce the total number of spectral bands in the image. For example, the total number of spectral bands can be reduced from 168 to 160. Processors that obtain images from hyperspectral cameras are a technology known to relevant technicians.
초분광 카메라(330)에 의한 담배 베일(105)의 영상화는 반사 스펙트럼 등급 시그니처(reflection spectral grading signature)과 스펙트럼 화학적 시그니처(spectral chemical signature)을 포함한 영상을 생성할 수 있다. 관련 기술자가 이해할 수 있듯이, 초분광 카메라(330)가 촬상한 각 픽셀은 복수 개의 스펙트럼 측정치 예를 들어 서로 다른 파장에서의 약 160개 이상의 스펙트럼 측정치를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 영상화 동안 초분광 카메라(330)는 640 × 1024 픽셀 범위의 3차원 초분광 영상 큐브를 제공할 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 초분광 카메라로 획득된 영상에는 분석을 수행하기 위해 추출할 수 있는 관련 특징(feature)이 포함될 수 있다. 일부 실시예에서, 서로 다른 파장은 전자기 스펙트럼의 단파 적외선(SWIR, Shortwave Infrared) 범위에 있을 수 있으며, 약 900nm 내지 2500nm일 수 있다. 전자기 스펙트럼의 단파 적외선 범위에서 담배 영상을 ���기 ���해, 단파 적외선 영상화 카메라를 사용하거나, SWIR 영역을 포함하는 스펙트럼 응답을 갖는 카메라를 사용할 수 있다.Imaging of the tobacco veil (105) by the hyperspectral camera (330) can generate an image including a reflection spectral grading signature and a spectral chemical signature. As will be understood by those skilled in the art, each pixel captured by the hyperspectral camera (330) may contain multiple spectral measurements, for example, about 160 or more spectral measurements at different wavelengths. In some embodiments, during imaging, the hyperspectral camera (330) may provide a three-dimensional hyperspectral image cube with a range of 640 × 1024 pixels, but is not limited thereto. The image acquired by the hyperspectral camera may contain relevant features that can be extracted to perform analysis. In some embodiments, the different wavelengths may be in the shortwave infrared (SWIR) range of the electromagnetic spectrum and may be about 900 nm to 2500 nm. To obtain an image of a cigarette in the short-wave infrared range of the electromagnetic spectrum, a short-wave infrared imaging camera or a camera having a spectral response including the SWIR region can be used.
단계 525에서, 영상의 제2 관심 영역(second region of interest)이 프로세서에 의해 분석되어, 응답 값이 임계값(threshold) 미만인 픽셀을 제거할 수 있다. 일부 실시예에서 이 프로세스는 암흑부 감산(dark subtraction)으로 알려져 있다. 제2 관심 영역(620)의 픽셀이 담배 표면의 그림자 때문에 임계값보다 낮은 응답 값을 가지면, 해당 픽셀은 추가 분석에서 제외된다.In step 525, a second region of interest of the image is analyzed by a processor to remove pixels whose response value is below a threshold. In some embodiments, this process is known as dark subtraction. If a pixel in the second region of interest (620) has a response value lower than the threshold due to a shadow on the cigarette surface, that pixel is excluded from further analysis.
단계 530에서, 영상의 제1 관심 영역(615)의 x축을 따라 각 픽셀에 대한 평균 스펙트럼 벡터(mean spectral vector)가 프로세서에 의해 생성된다. 평균 스펙트럼 벡터는 x축을 따라 픽셀에 대해, 해당 x축 픽셀에 대응하는 y축 픽셀들을 평균 내어, 생성될 수 있다.In step 530, a mean spectral vector for each pixel along the x-axis of the first region of interest (615) of the image is generated by the processor. The mean spectral vector can be generated by averaging the y-axis pixels corresponding to the x-axis pixels for each pixel along the x-axis.
제1 관심 영역(615)의 x축을 따라 각 픽셀에 대한 평균 스펙트럼 벡터가 생성된 후, 프로세서는 제2 관심 영역(620)의 각 픽셀을 대응하는 평균 스펙트럼 벡터로 보정할 수 있다. 제2 관심 영역의 픽셀을 보정할 때, 해당 픽셀을 제1 관심 영역(615)의 x축 상의 대응하는 점(point)에 대한 평균 스펙트럼 벡터로 나눈다. 만약 단계 525에서 제2 관심 영역(620)의 픽셀이 제거된 경우, 해당 픽셀은 보정되지 않고 제거된 상태로 남는다. 제2 관심 영역(620)의 나머지 픽셀들이 모두 보정된 후, 제2 관심 영역의 픽셀들을 평균 내고 정규화(normalization)하여 담배의 평균 스펙트럼(mean spectra)을 생성한다.After an average spectrum vector for each pixel along the x-axis of the first region of interest (615) is generated, the processor can correct each pixel of the second region of interest (620) with the corresponding average spectrum vector. When correcting a pixel of the second region of interest, the pixel is divided by the average spectrum vector for the corresponding point on the x-axis of the first region of interest (615). If a pixel of the second region of interest (620) is removed in step 525, that pixel remains uncorrected and removed. After all remaining pixels of the second region of interest (620) are corrected, the pixels of the second region of interest are averaged and normalized to generate the mean spectrum of the cigarette.
단계 540에서, 프로세서는 담배의 평균 스펙트럼을 기반으로 담배를 분류할 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 담배는 평균 스펙트럼을 기반으로 초저니코틴(VLN) 담배 또는 일반 담배로 분류될 수 있다.In step 540, the processor can classify the tobacco based on the average spectrum of the tobacco. In at least one embodiment, the tobacco may be classified as very low nicotine (VLN) tobacco or regular tobacco based on the average spectrum.
방법(500)은 담배를 비침습적(non-invasive)으로 분류하는 방법일 수 있다. 방법(500)은 담배를 실시간으로 분류할 수 있으며, 담배 분류의 검증을 용이하게 한다. 예를 들어, 담배 선적(shipment)이 도착하면, 발송자가 담배를 분류할 수 있다. 방법(500)은 수령된 담배가 발송자가 수행한 분류가 정확한지 쉽게 분석할 수 있게 한다. 또한, 방법(500)은 이전에 분류되지 않은 담배를 분류하여, 분류 결과를 기준으로 담배가 판매, 마케팅 및/또는 사용될 수 있게 한다. 방법(500)에 의해 수행되는 분류는 담배가 정확하게 가격이 책정되고 식별되도록 보장하며, 향후 사용, 운송, 저장 및/또는 담배 제품 내 사용 시 담배가 정확히 VLN 담배 또는 일반 담배로 분류되었음을 신뢰할 수 있게 한다.The method (500) may be a non-invasive method for classifying tobacco. The method (500) can classify tobacco in real time and facilitates verification of the tobacco classification. For example, when a shipment of tobacco arrives, the sender can classify the tobacco. The method (500) allows for easy analysis of whether the classification performed by the sender is accurate for the received tobacco. Additionally, the method (500) classifies previously unclassified tobacco, allowing the tobacco to be sold, marketed, and/or used based on the classification results. The classification performed by the method (500) ensures that the tobacco is accurately priced and identified, and allows for confidence that the tobacco has been accurately classified as VLN tobacco or regular tobacco for future use, transport, storage, and/or use within tobacco products.
도 7을 참조하면, 담배 베일의 스펙트럼 프로파일(spectral profile)을 나타내는 차트(700)가 도시되어 있다. 차트(700)는 x축에 파장 인덱스, y축에 정규화된 평균 반사율(normalized average reflectance)을 표시한다. 담배 베일의 스펙트럼 프로파일은 초분광 카메라에 의한 영상에 대한 각 파장에서의 정규화된 평균 반사율을 나타낸다.Referring to FIG. 7, a chart (700) showing the spectral profile of a cigarette veil is illustrated. The chart (700) displays the wavelength index on the x-axis and the normalized average reflectance on the y-axis. The spectral profile of the cigarette veil represents the normalized average reflectance at each wavelength for an image taken by a hyperspectral camera.
도 8은 도 5의 방법(500)의 적어도 일부를 구현하는 데 사용될 수 있는 소���트웨어 프로그램의 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)(800)를 보여준다. GUI(800)는 컴퓨터(335)의 모니터(350)와 같은 디스플레이에 출력될 수 있다. GUI(800)는 컴퓨터(335)에 연결된 입력 장치, 예를 들어 키보드(345)를 통해 입력을 받을 수 있으며, 컴퓨터(335)의 프로세서와 메모리를 통해 작동할 수 있다.FIG. 8 shows a graphical user interface (GUI) (800) of a software program that can be used to implement at least part of the method (500) of FIG. 5. The GUI (800) can be output to a display such as a monitor (350) of a computer (335). The GUI (800) can receive input through an input device connected to the computer (335), such as a keyboard (345), and can operate through the processor and memory of the computer (335).
GUI(800)는 초분광 카메라에 의해 촬상된 영상(805)을 보여줄 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 영상(805)은 제1 관심 영역(615)과 제2 관심 영역(620)을 포함할 수 있는 직사각형 영역(610)을 촬상할 것일 수 있다. GUI(800)는 또한 파일 이름, 출력 디렉토리, 임계값(threshold)과 같은 정보 필드를 포함할 수 있다. 이 임계값은 제2 관심 영역(620)에서 픽셀을 제거할지 여부를 결정하는 기준값이다. 예를 들어, 도 5의 단계 525에서 설명한 바와 같이, 픽셀은 그림자나 어두운 픽셀인 경우 제거될 수 있다. GUI(800)는 또한 이전 참조(prior reference)를 사용할 수 있는 옵션을 포함할 수 있다. 이전 참조는 제1 관심 영역(615)을 포함할 수 있으며, 반사 소재(605)를 갖는 제1 영역이 포함되지 않은 후속 담배 영상에 적용될 수 있다.The GUI (800) may display an image (805) captured by a hyperspectral camera. In at least one embodiment, the image (805) may capture a rectangular area (610) that may include a first region of interest (615) and a second region of interest (620). The GUI (800) may also include information fields such as a file name, an output directory, and a threshold. This threshold is a reference value for determining whether to remove pixels from the second region of interest (620). For example, as described in step 525 of FIG. 5, pixels may be removed if they are shadows or dark pixels. The GUI (800) may also include an option to use a prior reference. The prior reference may include the first region of interest (615) and may be applied to a subsequent cigarette image that does not include the first region having a reflective material (605).
GUI(800)는 사용자가 영상을 획득(grab)하고 분석할 수 있는 옵션을 포함할 수 있다. 사용자가 영상 획득 옵션을 선택하면, 시스템(300)과 같은 시스템에 지시하여 초분광 카메라를 사용해 담배 영상을 획득할 수 있다. 사용자가 영상 분석 옵션을 선택하면, 촬영한 영상을 분석하여 영상 관련 정보를 확인할 수 있다. 예를 들어, 영상 분석은 담배가 VLN 담배인지 일반 담배인지 판단하는 것을 포함할 수 있다. GUI는 담배의 분류 결과를 출력하도록 구성될 수 있으며, 이는 담배가 VLN 담배인지 일반 담배인지 여부가 될 수 있다. GUI(800)는 검수자(grader)나 분석가가 담배를 효율적이고 쉽게 분류할 수 있도록 설계될 수 있다.The GUI (800) may include options for the user to acquire and analyze images. If the user selects the image acquisition option, the user may instruct a system, such as the system (300), to acquire images of cigarettes using a hyperspectral camera. If the user selects the image analysis option, the user may analyze the captured images to check image-related information. For example, image analysis may include determining whether the cigarette is a VLN cigarette or a regular cigarette. The GUI may be configured to output the classification results of the cigarettes, which may be whether the cigarette is a VLN cigarette or a regular cigarette. The GUI (800) may be designed so that a grader or analyst can classify cigarettes efficiently and easily.
적어도 하나의 실시예에서, 담배를 VLN 담배 또는 일반 담배로 분류하는 작업은 기계 학습 알고리즘(machine learning algorithm)에 의해 수행될 수 있다. 훈련된 기계 학습 알고리즘은 초분광 카메라로 획득한 영상을 입력받아, 영상화된(촬영된) 담배가 VLN 담배인지 일반 담배인지 예측할 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 기계 학습 알고리즘은 실시간(real-time)으로 담배를 분류하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 담배가 초분광 카메라 아래에서 직선으로 이동할 때, 기계 학습 알고리즘이 담배를 분류할 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 기계 학습 알고리즘은 GUI(800)을 통해 구현될 수 있다.In at least one embodiment, the task of classifying a cigarette as a VLN cigarette or a regular cigarette may be performed by a machine learning algorithm. A trained machine learning algorithm receives an image acquired by a hyperspectral camera as input and can predict whether the imaged (captured) cigarette is a VLN cigarette or a regular cigarette. In at least one embodiment, the machine learning algorithm may be configured to classify cigarettes in real-time. For example, when a cigarette moves in a straight line under the hyperspectral camera, the machine learning algorithm may classify the cigarette. In at least one embodiment, the machine learning algorithm may be implemented through a GUI (800).
기계 학습 알고리즘은 랜덤 포레스트(random forest)와 같은 앙상블 기법을 포함하여 예를 들어, 선형 회귀(linear regression) 및/또는 로지스틱 회귀(logistic regression)(예를 들어 부분 최소제곱 회귀(partial least squares regression)), 통계적 클러스터링(statistical clustering), 베이지안 분류(Bayesian classification), 결정 트리(decision trees), 차원 축소(dimensionality reduction)(예: 주성분 분석(PCA)), 기타 기계 학습 모델(예: 전문가 시스템(expert systems)) 및/또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 기계 학습 알고리즘은 영상 분류, 담배 분류 등 다양한 서비스를 제공하는 데 사용될 수 있으며, 다른 전자 장치에 설치 및 실행될 수도 있다.Machine learning algorithms may include ensemble techniques such as random forests, for example, linear regression and/or logistic regression (e.g., partial least squares regression), statistical clustering, Bayesian classification, decision trees, dimensionality reduction (e.g., principal component analysis (PCA)), other machine learning models (e.g., expert systems), and/or combinations thereof. Machine learning algorithms may be used to provide various services such as image classification and tobacco classification, and may be installed and run on other electronic devices.
도 9~13은 기계 학습 알고리즘을 훈련하고 테스트하는 데 사용된 다양한 데이터의 선형 판별분석(linear discriminant analysis) 그래프들을 보여준다. 제1 데이터 세트(set of data)는 359개의 VLN 담배 베일과 83개의 일반 담배 베일을 포함한다. 359개의 VLN 담배 베일은 167개의 플루-큐어드(flue-cured) 베일과 192개의 벌리(burley) 베일을 포함한다. 83개의 일반 베일은 모두 벌리 베일이다. 제2 데이터 세트는 1211개의 VLN 담배 베일과 684개의 일반 담배 베일을 포함한다. 1211개의 VLN 담배 베일은 513개의 플루-큐어드 베일과 698개의 벌리 베일을 포함하며, 684개의 일반 담배 베일은 311개의 플루-큐어드와 373개의 벌리 베일을 포함한다. 제2 데이터 세트의 698개의 VLN 벌리 베일 중, 560개는 Gen 2이며 138개는 Gen 3이다. 제2 데이터 세트의 513개의 VLN 플루-큐어드 베일 중, 370개는 Gen 2이며 143개는 Gen 3이다.Figures 9���13 show linear discriminant analysis graphs of various data used to train and test machine learning algorithms. The first set of data includes 359 VLN tobacco veils and 83 regular tobacco veils. The 359 VLN tobacco veils include 167 flue-cured veils and 192 burley veils. All 83 regular veils are burley veils. The second set of data includes 1,211 VLN tobacco veils and 684 regular tobacco veils. The 1,211 VLN tobacco veils include 513 flue-cured veils and 698 burley veils, and the 684 regular tobacco veils include 311 flue-cured veils and 373 burley veils. Of the 698 VLN Burley bales in the second dataset, 560 are Gen 2 and 138 are Gen 3. Of the 513 VLN Flu-cured bales in the second dataset, 370 are Gen 2 and 143 are Gen 3.
적어도 하나의 실시예에서, 일반 담배와 VLN 담배를 포함하는 데이터 세트를 사용하여 위에서 설명한 기계 학습 알고리즘을 학습시킬 수 있다. 데이터 세트는 약 75%를 훈련용(training) 데이터 세트로, 약 25%를 테스트(testing) 데이터 세트로 나눌 수 있다. 예를 들어, 데이터 세트가 약 1895개의 관측값(observations)으로 구성되어 있다면, 약 1420개의 관측값은 훈련용 데이터 세트로 사용되고, 약 475개의 관측값은 테스트용 데이터 세트로 사용될 수 있다. 훈련용 데이터 세트는 각 관측값에 대한 알려진 분류 정보를 함께 기계 학습 알고리즘에 입력한다. 관측값이 VLN 담배 또는 일반 담배로 미리 분류되어 입력됨으로써, 기계 학습 알고리즘은 새로운 담배 영상이 VLN 담배인지 일반 담배인지 분류하도록 학습될 수 있다.In at least one embodiment, the machine learning algorithm described above can be trained using a dataset containing regular cigarettes and VLN cigarettes. The dataset can be divided into approximately 75% as a training dataset and approximately 25% as a testing dataset. For example, if the dataset consists of approximately 1,895 observations, approximately 1,420 observations can be used as the training dataset and approximately 475 observations can be used as the testing dataset. The training dataset inputs known classification information for each observation into the machine learning algorithm. By inputting observations that are pre-classified as either VLN cigarettes or regular cigarettes, the machine learning algorithm can be trained to classify whether a new cigarette image is a VLN cigarette or a regular cigarette.
훈련용 관측값으로 기계 학습 알고리즘이 훈련된 후, 테스트 데이터 세트를 기계 학습 알고리즘에 입력할 수 있다. 기계 학습 알고리즘은 테스트 관측값을 받아 각 테스트 관측값이 VLN 담배 또는 일반 담배로 분류되어야 하는지를 결정할 수 있다. 각 테스트 관측값의 실제 분류는 이미 알려져 있어, 알고��즘이 수행한 분류 결과를 검증할 수 있다. 기계 학습 알고리즘 대한 적어도 하나의 테스트에서, 기계 학습 알고리즘은 훈련용 데이터 세트의 모든 관측값에 대해 정확하게 VLN 담배 또는 일반 담배로 분류할 수 있었다.After the machine learning algorithm is trained with training observations, a test dataset can be input into the machine learning algorithm. The machine learning algorithm receives test observations and determines whether each test observation should be classified as a VLN cigarette or a regular cigarette. Since the actual classification of each test observation is already known, the classification results performed by the algorithm can be verified. In at least one test of the machine learning algorithm, the algorithm was able to accurately classify all observations in the training dataset as either VLN cigarettes or regular cigarettes.
도 9는 제2 데이터 세트 일부에 대해 수행된 선형 판별 분석 그래프(900)를 보여준다. 도 9에는 VLN 벌리 및 플루-큐어드 Gen 3 베일 데이터와 일반 벌리 및 플루-큐어드 데이터가 포함된다. 그래프(900)에서 VLN 벌리 데이터는 일반 벌리 데이터의 적어도 일부와 겹쳐서 표시된다.FIG. 9 shows a linear discriminant analysis graph (900) performed on a portion of a second dataset. FIG. 9 includes VLN burly and flu-cured Gen 3 veil data and general burly and flu-cured data. In the graph (900), the VLN burly data is displayed overlapping at least a portion of the general burly data.
도 10은 제2 데이터 세트 일부에 대해 수행된 선형 판별 분석 그래프(1000)를 보여준다. 도 10에는 VLN 벌리 및 플루-큐어드 Gen 2 및 Gen 3 베일 데이터가 포함되며, 일반 담배 데이터는 포함되지 않는다. 그래프(1000)에서 VLN 담배 데이터 간에는 어떠한 겹침도 없다.FIG. 10 shows a linear discriminant analysis graph (1000) performed on a portion of the second data set. FIG. 10 includes VLN Burley and Flu-cured Gen 2 and Gen 3 veil data, but does not include regular cigarette data. There is no overlap between the VLN cigarette data in the graph (1000).
도 11은 3 차원(third dimension)을 도입한 선형 판별 분석 그래프(1100)를 보여준다. 그래프(1100)는 그래프(900)와 동일한 데이터를 포함할 수 있다. 3차원을 도입함으로써 각 담배 유형 간에 명확한 분리가 나타난다.FIG. 11 shows a linear discriminant analysis graph (1100) with a third dimension introduced. The graph (1100) may contain the same data as the graph (900). By introducing the third dimension, a clear separation between each tobacco type appears.
도 12는 제1 데이터 세트에 대한 2차원 t-SNE(t-distributed stochastic neighbor embedding) 시각화 그래프(1200)를 보여준다. 도 12에는 VLN 벌리 및 플루-큐어드 데이터와 일반 데이터가 포함된다. 일반 데이터는 VLN 벌리 및 플루-큐어드 데이터와 적어도 부분적으로 겹쳐서 표시된다.FIG. 12 shows a two-dimensional t-SNE (t-distributed stochastic neighbor embedding) visualization graph (1200) for a first dataset. FIG. 12 includes VLN burly and flu-cured data and general data. The general data is displayed overlapping at least partially with the VLN burly and flu-cured data.
도 13은 제1 데이터 세트에 대해 수행된 선형 판별 분석 그래프(1300)를 보여준다. 도 13에는 VLN 벌리 및 플루-큐어드 데이터와 일반 데이터가 포함된다. 그래프에서 일반 데이터는 일부 VLN 벌리 데이터와 겹쳐서 표시되며, VLN 플루-큐어드 데이터는 VLN 벌리 및 일반 데이터와 구분된다. 도 12 또는 13의 데이터 시각화에 3차원을 도입하면, 도 11과 마찬가지로, VLN 벌리, VLN 플루-큐어드, 일반 담배 데이터가 서로 겹치지 않고 명확히 구분될 수 있음이 이해될 수 있다.FIG. 13 shows a linear discriminant analysis graph (1300) performed on a first data set. FIG. 13 includes VLN Burley and flu-cured data and general data. In the graph, general data is displayed overlapping with some VLN Burley data, while VLN flu-cured data is distinguished from VLN Burley and general data. It can be understood that if three dimensions are introduced into the data visualization of FIG. 12 or 13, VLN Burley, VLN flu-cured, and general cigarette data can be clearly distinguished without overlapping with each other, just as in FIG. 11.
본 명세서에서 설명된 영상 처리 시스템은 담배의 니코틴 함량을 분석하여 정량화할 수 있도록 구성될 수도 있다.The image processing system described in this specification may be configured to analyze and quantify the nicotine content of tobacco.
도 14는 담배를 분석하는 방법(1400)의 흐름도를 보여준다. 일부 실시예에서, 분석 대상 담배는 담배 베일(105)과 같은 형태일 수 있으며, 다른 실시예에서는 베일이 아닌 다른 형태일 수 있다. 방법(1400)은 담배의 영상화를 위해 담배가 컨베이어 벨트(110)에 적재되는 시점에서 시작될 수 있다. 단계 1405에서 담배는 초분광 카메라(120)를 사용하여 영상화된다. 담배 영상이 획득된 후, 단계 1410에서 담배의 니코틴 함량을 정량화하기 위해 영상을 분석한다. 방법(1400)은 앞서 설명된 시스템(300)을 통해 수행될 수 있다.FIG. 14 shows a flowchart of a method (1400) for analyzing tobacco. In some embodiments, the tobacco to be analyzed may be in the form of a tobacco bale (105), and in other embodiments, it may be in a form other than a bale. The method (1400) may begin at the point when the tobacco is loaded onto a conveyor belt (110) for imaging of the tobacco. In step 1405, the tobacco is imaged using a hyperspectral camera (120). After the tobacco image is acquired, in step 1410, the image is analyzed to quantify the nicotine content of the tobacco. The method (1400) may be performed through the system (300) described above.
도 15는 담배를 영상화하고 분석하는 방법(1500)의 흐름도를 보여준다. 방법(1500)은 방법(1400)을 보다 상세히 설명할 수 있다. 방법(1500)의 단계 1505~1535는 도 5의 단계 505~535와 동일하게 수행될 수 있다. 단계 1540에서 담배의 니코틴 함량을 정량화하기 위해 분석이 수행된다. 적어도 하나의 실시예에서, 담배의 니코틴 함량은 단계 1535에서 결정된 평균 스펙트럼을 기반으로 결정될 수 있다.FIG. 15 shows a flowchart of a method (1500) for visualizing and analyzing tobacco. The method (1500) may describe the method (1400) in more detail. Steps 1505–1535 of the method (1500) may be performed identically to steps 505–535 of FIG. 5. In step 1540, an analysis is performed to quantify the nicotine content of the tobacco. In at least one embodiment, the nicotine content of the tobacco may be determined based on the average spectrum determined in step 1535.
방법(1500)은 담배를 비침습적으로 분석할 수 있는 방식일 수 있다. 방법(1500)은 담배를 실시간으로 분석할 수 있도록 한다. 방법(1500)은 담배의 니코틴 함량에 따라 정확한 가격 책정과 식별을 보장할 수 있다. 예를 들어, 방법(1500)을 사용하면 담배를 니코틴 함량 기준으로 판매, 마케팅, 또는 사용하도록 할 수 있다.The method (1500) may be a method for non-invasively analyzing tobacco. The method (1500) enables real-time analysis of tobacco. The method (1500) can ensure accurate pricing and identification based on the nicotine content of the tobacco. For example, using the method (1500) allows tobacco to be sold, marketed, or used based on its nicotine content.
적어도 하나의 실시예에서, GUI(800)는 도 15의 방법(1500)의 일부를 구현하도록 구성될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, GUI(800)는 초분광 카메라로 촬영된 영상(805)을 보여줄 수 있다. GUI(800)는 기계 학습 알고리즘을 이용하여 초분광 카메라로 촬영된 담배의 니코틴 수준을 출력할 수 있다.In at least one embodiment, the GUI (800) may be configured to implement part of the method (1500) of FIG. 15. As previously described, the GUI (800) may display an image (805) captured by a hyperspectral camera. The GUI (800) may output the nicotine level of the cigarette captured by the hyperspectral camera using a machine learning algorithm.
기계 학습 알고리즘은 담배 영상을 입력받아 담배의 니코틴 수준을 결정하도록 구성될 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 기계 학습 알고리즘은 담배를 실시간으로 분석하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 담배가 초분광 카메라 아래를 직선으로 이동할 때, 기계 학습 알고리즘이 이를 분석할 수 있다.A machine learning algorithm may be configured to receive an image of a cigarette as input and determine the nicotine level of the cigarette. In at least one embodiment, the machine learning algorithm may be configured to analyze the cigarette in real time. For example, when the cigarette moves in a straight line under a hyperspectral camera, the machine learning algorithm may analyze it.
기계 학습 알고리즘에는 랜덤 포레스트와 같은 앙상블 기법을 포함하여 예를 들어, 선형 회귀 및/또는 로지스틱 회귀, 예를 들어 부분 최소 제곱 회귀, 통계적 클러스터링, 베이지안 분류, 의사결정 나무, 차원 축소 예를 들어 주성분 분석(PCA), 전문가 시스템 등과 같은 기타 유형의 기계 학습 모델, 및/또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 이 기계 학습 알고리즘은 영상 분류, 담배 분류 등의 서비스를 제공하며, 다른 ���자 장치에 설치되어 실행될 수 있다.Machine learning algorithms may include ensemble techniques such as random forests, for example, linear regression and/or logistic regression, for example, partial least squares regression, statistical clustering, Bayesian classification, decision trees, dimensionality reduction such as principal component analysis (PCA), expert systems, and other types of machine learning models, and/or combinations thereof. These machine learning algorithms provide services such as image classification and tobacco classification, and can be installed and run on other electronic devices.
도 16~21은 담배의 니코틴 함량을 결정하기 위해 기계 학습 알고리즘을 훈련 및 테스트하는 데 사용되는 다양한 데이터를 분석하는 차트와 그래프를 보여준다. 적어도 하나의 실시예에서, 위에서 설명한 제1 데이터 세트와 제2 데이터 세트를 사용하여 기계 학습 알고리즘을 테스트하고 훈련시켜 담배의 니코틴 함량을 결정할 수 있다.FIGS. 16–21 show charts and graphs analyzing various data used to train and test a machine learning algorithm to determine the nicotine content of tobacco. In at least one embodiment, the nicotine content of tobacco can be determined by testing and training a machine learning algorithm using the first data set and the second data set described above.
적어도 하나의 실시예에서, 일반 담배와 VLN 담배를 포함하는 데이터 세트를 사용하여 앞서 설명한 바와 같이 기계 학습 알고리즘을 훈련시킬 수 있다. 데이터 세트는 약 75%를 훈련용 데이터 세트로, 약 25%를 테스트 데이터 세트로 나눌 수 있다. 예를 들어, 데이터 세트가 약 513개의 관측값으로 구성되어 있다면, 약 385개의 관측값은 훈련용으로, 약 128개의 관측값은 테스트용으로 사용될 수 있다. 훈련용 데이터 세트는 각 관측값의 알려진 니코틴 함량과 함께 기계 학습 알고리즘에 입력된다. 알려진 니코틴 함량이 있는 관측값을 입력함으로써, 기계 학습 알고리즘은 위에서 설명한 훈련 방법을 사용하여 담배 샘플의 니코틴 함량을 결정하도록 훈련될 수 있다.In at least one embodiment, a machine learning algorithm can be trained as previously described using a dataset containing regular cigarettes and VLN cigarettes. The dataset can be divided into approximately 75% as a training dataset and approximately 25% as a test dataset. For example, if the dataset consists of approximately 513 observations, approximately 385 observations can be used for training and approximately 128 observations for testing. The training dataset is input into the machine learning algorithm along with the known nicotine content of each observation. By inputting observations with known nicotine content, the machine learning algorithm can be trained to determine the nicotine content of cigarette samples using the training method described above.
기계 학습 알고리즘이 훈련용 관측값으로 훈련된 후, 테스트 데이터 세트를 기계 학습 알고리즘에 입력할 수 있다. 기계 학습 알고리즘은 테스트 관측값을 수신하여 각 테스트 관측값의 니코틴 함량을 결정할 수 있다. 각 테스트 관측값의 실제 니코틴 함량은 이미 알려져 있어, 기계 학습 알고리즘이 계산한 니코틴 함량을 검증할 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 기계 학습 알고리즘은 훈련 데이터 세트의 각 관측값을 VLN 담배 또는 일반 담배로 정확하게 분류할 수 있었다.After a machine learning algorithm is trained with training observations, a test data set can be input into the machine learning algorithm. The machine learning algorithm receives the test observations and can determine the nicotine content of each test observation. Since the actual nicotine content of each test observation is already known, the nicotine content calculated by the machine learning algorithm can be verified. In at least one embodiment, the machine learning algorithm was able to accurately classify each observation of the training data set as either VLN cigarettes or regular cigarettes.
도 16은 제1 데이터 세트 및/또는 제2 데이터 세트와 같은 담배 데이터에 대한 부분 최소 제곱(PLS) 회귀 그래프(1600)를 보여준다. 분석 대상 데이터는 이다. 도 16에서 x축은 PLS 구성 요소 수를 나타내고, y축은 교차 검증의 평균 제곱근 오차(RMSECV)를 나타낸다. 최소 RMSECV는 대략 26개의 PLS 구성 요소에 대응한다.FIG. 16 shows a partial least squares (PLS) regression graph (1600) for tobacco data such as the first dataset and/or the second dataset. The data to be analyzed is. In FIG. 16, the x-axis represents the number of PLS components, and the y-axis represents the root mean square error (RMSECV) of the cross-validation. The minimum RMSECV corresponds to approximately 26 PLS components.
도 17은 제1 데이터 세트 및/또는 제2 데이터 세트와 같은 담배 데이터에 대한 부분 최소 제곱(PLS) 회귀 그래프(1700)를 보여준다. x축은 측정된 니코틴 비율(measured nicotine percentage), y축은 예측된 니코틴 비율(predicted nicotine percentage)을 나타낸다. 적어도 하나의 실시예에서, 예측된 니코틴 비율은 기계 학습 알고리즘에 의해 산출된다.FIG. 17 shows a partial least squares (PLS) regression graph (1700) for tobacco data such as a first data set and/or a second data set. The x-axis represents the measured nicotine percentage, and the y-axis represents the predicted nicotine percentage. In at least one embodiment, the predicted nicotine percentage is calculated by a machine learning algorithm.
적어도 하나의 실시예에서, 26개의 PLS 구성 요소를 사용하여, 보정(calibration)의 RMSE는 0.0314, 예측(prediction)의 RMSE는 0.0332, 보정의 R2는 0.915, 예측의 R2는 0.894로 나타났다.In at least one embodiment, using 26 PLS components, the RMSE of the calibration was 0.0314, the RMSE of the prediction was 0.0332, the R² of the calibration was 0.915, and the R² of the prediction was 0.894.
도 18은 제2 데이터 세트에 대한 각 예측 변수(predictor variable)의 회귀 계수(regression coefficients)를 보여주는 그래프(1800)이다. 도 19는 제1 데이터 세트에 대한 각 예측 변수의 회귀 계수를 보여주는 그래프(1900)이다. 도 18과 도 19의 그래프 모두에서, x축은 절편(intercept)과 파장 인덱스(wavelength index)에 관련될 수 있는 예측 변수를 나타내며, y축은 회귀 계수를 나타낸다. 적어도 하나의 실시예에서, 절대값이 가장 큰 계수가 최종 모델 출력에 가장 큰 영향을 미칠 수 있다. 상위 10개의 계수는 그래프에서 수직선으로 표시되어 있다.FIG. 18 is a graph (1800) showing the regression coefficients of each predictor variable for a second dataset. FIG. 19 is a graph (1900) showing the regression coefficients of each predictor variable for a first dataset. In both the graphs of FIG. 18 and FIG. 19, the x-axis represents the predictor variable that may be related to the intercept and wavelength index, and the y-axis represents the regression coefficient. In at least one embodiment, the coefficient with the largest absolute value may have the greatest influence on the final model output. The top 10 coefficients are indicated by vertical lines in the graph.
도 20은 제1 데이터 세트와 제2 데이터 세트의 VLN 버리 담배 데이터의 예시 스펙트럼을 보여주는 그래프(2000)이다. 그래프(2000)에는 서로 다른 파장 영역(wavelength regions)에 해당하는 두 개의 강조 표시 부분이 포함되어 있다. 제1 강조 부분은 약 1700nm~1750nm 범위의 파장을 나타내며, 제2 강조 부분은 약 2200nm~2350nm 범위의 파장을 나타낸다.FIG. 20 is a graph (2000) showing example spectra of VLN burrito tobacco data of a first data set and a second data set. The graph (2000) includes two highlighted portions corresponding to different wavelength regions. The first highlighted portion represents wavelengths in the range of approximately 1700 nm to 1750 nm, and the second highlighted portion represents wavelengths in the range of approximately 2200 nm to 2350 nm.
도 21은 도 20의 그래프(2000)를 생성하는 데 사용된 데이터의 일부를 보여주는 차트(2100)이다. 제1 데이터 세트는 약 160개의 스펙트럼 밴드(spectral bands)를 포함하고, 제2 데이터 세트는 약 270개의 스펙트럼 밴드를 포함할 수 있다. 제1 데이터 세트와 제2 데이터 세트는 서로 다른 초분광 카메라 또는 영상으로부터 획득되었다. 제1 데이터 세트는 약 160 스펙트럼 밴드를 가진 초분광 카메라로 획득되었고, 제2 데이터 세트는 약 270 스펙트럼 밴드를 가진 초분광 카메라로 획득되었다. 도 21의 실시예에서 볼 수 있듯, 본 명세서에서 설명된 예측 및 분류 시스템과 방법은 견고(robust)하며 다양한 하드웨어로 구현될 수 있다. 따라서 기술이 발전함에 따라, 더 높은 해상도를 가진 최신 및 강력한 시스템이 분류 및 예측에 사용될 수 있다.FIG. 21 is a chart (2100) showing a portion of the data used to generate the graph (2000) of FIG. 20. The first data set may contain approximately 160 spectral bands, and the second data set may contain approximately 270 spectral bands. The first data set and the second data set were acquired from different hyperspectral cameras or images. The first data set was acquired with a hyperspectral camera having approximately 160 spectral bands, and the second data set was acquired with a hyperspectral camera having approximately 270 spectral bands. As can be seen in the embodiment of FIG. 21, the prediction and classification system and method described herein are robust and can be implemented on various hardware. Thus, as technology advances, newer and more powerful systems with higher resolution can be used for classification and prediction.
본 명세서에서 설명된 영상 처리 시스템은 담배의 최소 하나 이상의 화학 성분(chemical constituent)의 함량을 분석하도록 추가적으로 구성될 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 최소 하나의 화학 성분은 프로필렌글리콜(propylene glycol) 또는 글리세린(glycerin) 중 하나일 수 있다. 다른 실시예에서는, 초분광 카메라에 의한 담배 영상에서 추가적인 화학 성분들이 분석될 수 있다.The image processing system described herein may be further configured to analyze the content of at least one chemical constituent of tobacco. In at least one embodiment, at least one chemical constituent may be either propylene glycol or glycerin. In other embodiments, additional chemical constituents may be analyzed in the tobacco image by a hyperspectral camera.
도 22는 담배를 분석하는 방법(2200)의 흐름도이다. 일부 실시예에서, 분석할 담배는 담배 베일(105) 같은 베일 형태의 담배일 수 있다. 다른 실시예에서, 분석할 담배는 베일 이외의 형태일 수 있다. 담배는 재구성 담배 제품(RLD, reconstituted tobacco product)일 수 있으며, 이를 분석할 수 있다. 방법(2200)은 담배의 영상화를 위해(담배 영상을 얻기 위해) 담배를 컨베이어 벨트(110)에 적재될 때 시작된다. 단계 2205에서 담배는 초분광 카메라(120)로 영상화된다. 단계 2205에서 초분광 카메라(120)로 담배 영상을 획득할 수 있다. 담배 영상 획득 후, 단계 2210에서 최소 하나의 화학 성분 함량을 정량화하기 위해 영상이 분석된다. 방법(2200)은 위에서 설명한 시스템(300)에 의해 수행될 수 있다.FIG. 22 is a flowchart of a method (2200) for analyzing tobacco. In some embodiments, the tobacco to be analyzed may be in the form of a veil, such as a tobacco veil (105). In other embodiments, the tobacco to be analyzed may be in a form other than a veil. The tobacco may be a reconstituted tobacco product (RLD) and may be analyzed. The method (2200) begins when the tobacco is loaded onto a conveyor belt (110) for imaging of the tobacco (to obtain an image of the tobacco). In step 2205, the tobacco is imaged with a hyperspectral camera (120). In step 2205, an image of the tobacco may be acquired with the hyperspectral camera (120). After acquiring the image of the tobacco, in step 2210, the image is analyzed to quantify the content of at least one chemical component. The method (2200) may be performed by the system (300) described above.
도 23은 담배의 영상을 얻고 분석하는 방법(2300)의 흐름도이다. 방법(2300)은 방법(2200)을 더 자세히 설명한다. 이 방법(2300)의 단계 2305~2335는 도 5의 단계 505~535와 실질적으로 동일하게 수행될 수 있다. 단계 2340에서, 담배의 최소 하나의 화학 성분 함량을 정량화하기 위해 담배가 분석될 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 담배의 최소 하나의 화학 성분 함량은 단계 2335에서 결정된 평균 스펙트럼을 기반으로 결정될 수 있다.FIG. 23 is a flowchart of a method (2300) for obtaining and analyzing images of a cigarette. The method (2300) further describes the method (2200). Steps 2305–2335 of this method (2300) can be performed substantially identically to steps 505–535 of FIG. 5. In step 2340, the cigarette may be analyzed to quantify the content of at least one chemical component of the cigarette. In at least one embodiment, the content of at least one chemical component of the cigarette may be determined based on the average spectrum determined in step 2335.
방법(2300)은 담배를 비침습적으로 분석할 수 있는 방식일 수 있다. 방법(2300)은 담배를 실시간으로 분석할 수 있도록 한다. 방법(2300)은 담배가 적절한 화학 성분 함량을 포함하도록 보장할 수 있으며, 이는 담배 품질을 확보하고, 담배를 최소 하나의 화학 성분 함량에 따라 판매, 마케팅, 및 사용하도록 할 수 있다. 방법(2300)은 또한 최소 하나의 화학 성분 함량 분석을 활용하여 제품 개발에서 제품 최적화에도 사용될 수 있다.The method (2300) may be a method for non-invasively analyzing tobacco. The method (2300) enables real-time analysis of tobacco. The method (2300) can ensure that tobacco contains an appropriate chemical component content, thereby ensuring tobacco quality and enabling the sale, marketing, and use of tobacco based on at least one chemical component content. The method (2300) can also be used for product optimization in product development by utilizing the analysis of at least one chemical component content.
적어도 하나의 실시예에서, GUI(800)는 도 23의 방법(2300)의 일부를 구현하도록 구성될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, GUI(800)는 초분광 카메라로 촬영된 영상(805)을 표시할 수 있다. GUI(800)는 기계 학습 알고리즘을 사용하여 초분광 카메라로 촬영된 담배의 최소 하나의 화학 성분 수준을 출력할 수 있다.In at least one embodiment, the GUI (800) may be configured to implement part of the method (2300) of FIG. 23. As previously described, the GUI (800) may display an image (805) captured by a hyperspectral camera. The GUI (800) may use a machine learning algorithm to output at least one level of chemical components of the tobacco captured by the hyperspectral camera.
기계 학습 알고리즘은 담배 영상을 입력받아 최소 하나의 화학 성분 수준을 결정하도록 구성될 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 기계 학습 알고리즘은 담배를 실시간으로 분석하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 담배가 초분광 카메라 아래를 직선으로 이동할 때, 기계 학습 알고리즘이 담배를 분석할 수 있다.A machine learning algorithm may be configured to receive an image of a cigarette as input and determine at least one level of chemical components. In at least one embodiment, the machine learning algorithm may be configured to analyze the cigarette in real time. For example, the machine learning algorithm may analyze the cigarette as it moves in a straight line under a hyperspectral camera.
기계 학습 알고리즘은 랜덤 포레스트와 같은 앙상블(ensemble) 기법을 포함하여, 예를 들어, 선형 회귀 및/또는 로지스틱 회귀, 예를 들어 부분 최소 제곱 회귀, 통계적 클러스터링, 베이지안 분류, 의사결정 나무, 차원 축소, 예를 들어 주성분 분석(PCA), 전문가 시스템 등과 같은 기타 유형의 기계 학습 모델, 및/또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 기계 학습 알고리즘은 영상 분류, 담배 분류 등의 다양한 서비스를 제공하며, 다른 전자 장치에 설치되어 실행될 수 있다.Machine learning algorithms may include ensemble techniques such as random forests, for example, linear regression and/or logistic regression, for example, partial least squares regression, statistical clustering, Bayesian classification, decision trees, dimensionality reduction, for example, principal component analysis (PCA), expert systems, and other types of machine learning models, and/or combinations thereof. Machine learning algorithms provide various services such as image classification and tobacco classification and can be installed and run on other electronic devices.
적어도 하나의 실시예에서, 기계 학습 알고리즘은 130개의 고유한 스펙트럼 세트를 포함하는 데이터 세트로 훈련될 수 있다. 이 130개의 고유한 세트에는 기본 시트(base sheet) 10개의 영상, LW 0488 영상 40개, MH 0808 영상 40개, 그리고 MH 0809 영상 40개가 포함될 수 있다. LW 0488 40개 영상, MH 0808 40개 영상, MH 0809 40개 영상 각각의 샘플당 2개의 영상이 획득될 수 있다.In at least one embodiment, the machine learning algorithm may be trained with a dataset containing 130 unique spectral sets. These 130 unique sets may include 10 base sheet images, 40 LW 0488 images, 40 MH 0808 images, and 40 MH 0809 images. Two images may be acquired per sample of each of the 40 LW 0488 images, 40 MH 0808 images, and 40 MH 0809 images.
기본 시트 영상이 포함될 경우, 130개의 고유한 세트 중 약 100개는 훈련 데이터로, 약 30개는 테스트 데이터로 사용될 수 있다. 기본 시트 영상이 제외될 경우, 130개의 고유 세트 중 약 93개는 훈련 데이터로, 약 27개는 테스트 데이터로 사용될 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 기계 학습 알고리즘은 하나 빼기(leave-one-out) 교차검증을 사용하여 훈련될 수 있다. 또한 기계 학습 알고리즘은 광범위한 잠재 변수를 사용하여 훈련될 수 있다. 가장 낮은 교차검증 오류를 가진 변수가 기계 학습 알고리즘을 훈련하고 테스트하��� 최종 매개변수로 선택될 수 있다.If base sheet images are included, approximately 100 of the 130 unique sets can be used as training data and approximately 30 as test data. If base sheet images are excluded, approximately 93 of the 130 unique sets can be used as training data and approximately 27 as test data. In at least one embodiment, the machine learning algorithm can be trained using leave-one-out cross-validation. Additionally, the machine learning algorithm can be trained using a wide range of latent variables. The variable with the lowest cross-validation error can be selected as the final parameter for training and testing the machine learning algorithm.
적어도 하나의 실시예에서, 최소 14개의 잠재 변수가 존재할 수 있다. 가장 낮은 교차검증 오류를 가진 변수를 사용하면, 프로필렌글리콜(propylene glycol) 화학 성분에 대해 다음과 같은 훈련 데이터가 얻어질 수 있다: 보정(calibration) RMSE 0.0533, 예측(prediction) RMSE 0.0952, 보정 R2 0.981, 예측 R2 0.921, 보정 RPD 4.82, 예측 RPD 3.61, RMSE 교차검증 0.0799. 또한, 가장 낮은 교차검증 오류 변수를 사용하면 글리세린(glycerin) 화학 성분에 대해 다음과 같은 훈련 데이터가 얻어질 수 있다: 보정 RMSE 0.0586, 예측 RMSE 0.0969, 보정 R2 0.972, 예측 R2 0.900, 보정 RPD 4.09, 예측 RPD 3.22, RMSE 교차검증 0.0864.In at least one embodiment, there may be at least 14 latent variables. Using the variable with the lowest cross-validation error, the following training data can be obtained for the propylene glycol chemical component: calibration RMSE 0.0533, prediction RMSE 0.0952, calibration R² 0.981, prediction R² 0.921, calibration RPD 4.82, prediction RPD 3.61, cross-validation RMSE 0.0799. Additionally, using the lowest cross-validation error variable, the following training data can be obtained for the chemical component glycerin: corrected RMSE 0.0586, predicted RMSE 0.0969, corrected R² 0.972, predicted R² 0.900, corrected RPD 4.09, predicted RPD 3.22, RMSE cross-validation 0.0864.
도 24는 위에서 설명된 초분광 영상을 분석할 수 있는 컴퓨터 시스템(2400)의 실시예를 나타낸다. 일부 실시예에서, 컴퓨터 시스템(2400)은 앞서 설명된 시스템(300) 또는 영상 처리 시스템일 수 있다. 도 24에 나타난 구조는 위에서 설명된 다른 컴퓨터 구성 요소를 대표할 수도 있다.FIG. 24 illustrates an example of a computer system (2400) capable of analyzing the hyperspectral images described above. In some embodiments, the computer system (2400) may be the system (300) described earlier or an image processing system. The structure shown in FIG. 24 may also represent other computer components described above.
도 24에 도시된 바와 같이, 컴퓨터 시스템(2400)은 메모리(2405), 메모리(2405)에 연결된 프로세서(2410), 프로세서(2410)에 연결된 적어도 하나의 통신 인터페이스(2415)를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 통신 인터페이스(2415)는 다른 컴퓨터 구성 요소와의 데이터 송수신을 위한 송수신기(transceiver)를 구성할 수 있다. 이해되는 바와 같이, 컴퓨터 시스템(2400)의 구현 방식에 따라, 컴퓨터 시스템(2400)은 추가적인 일반적인 구성을 포함할 수 있다. 예시 목적으로, 도 24에 나타난 실시예는 프로세서(2410)와 관련하여 논의될 것이다. 그러나 도 24에 도시된 컴퓨터 시스템(2400)은 하나 이상의 프로세서를 또는 하나 이상의 주문형 집적회로(ASICs)와 같은 다른 처리 회로를 포함할 수 있음이 이해되어야 한다.As illustrated in FIG. 24, a computer system (2400) may include a memory (2405), a processor (2410) connected to the memory (2405), and at least one communication interface (2415) connected to the processor (2410). The at least one communication interface (2415) may constitute a transceiver for transmitting and receiving data with other computer components. As is understood, depending on the implementation method of the computer system (2400), the computer system (2400) may include additional general configurations. For illustrative purposes, the embodiment shown in FIG. 24 will be discussed in relation to the processor (2410). However, it should be understood that the computer system (2400) shown in FIG. 24 may include one or more processors or other processing circuits such as one or more application-specific integrated circuits (ASICs).
메모리(2405)는 일반적으로 ��의 ������ 메모리(RAM), 읽기 전용 메모리(ROM), 및/또는 디스크 드라이브와 같은 영구 대용량 저장 장치를 포함하는 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(computer readable storage medium)일 수 있다. 메모리(2405)는 프로세서(2410)에 의해 실행되는 운영체제와, 네트워크 노드(UPF, CPF, MPF 등 포함)의 기능을 제공하는 기타 루틴/모듈/애플리케이션을 저장할 수 있다. 이러한 소프트웨어 구성(component)은 드라이브 메커니즘(도시되지 않음)을 사용하여 별도의 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체에서 메모리(2405)로 로드될 수도 있다. 이러한 별도의 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체에는 디스크, 테이프, DVD/CD-ROM 드라이브, 메모리 카드 또는 기타 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(미도시)가 포함될 수 있다. 일부 실시예에서, 소프트웨어 구성은 하나 이상의 통신 인터페이스(2415) 중 하나를 통해 메모리(2405)로 로드될 수 있으며, 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체를 통한 로드는 필수적이지 않다.Memory (2405) may generally be a computer-readable storage medium including random access memory (RAM), read-only memory (ROM), and/or a permanent mass storage device such as a disk drive. Memory (2405) may store an operating system executed by the processor (2410) and other routines/modules/applications that provide the functions of network nodes (including UPF, CPF, MPF, etc.). These software components may be loaded into memory (2405) from a separate computer-readable storage medium using a drive mechanism (not shown). This separate computer-readable storage medium may include a disk, tape, DVD/CD-ROM drive, memory card, or other computer-readable storage medium (not shown). In some embodiments, software components may be loaded into memory (2405) through one or more communication interfaces (2415), and loading through a computer-readable storage medium is not required.
프로세서(2410) 또는 기타 처리 회로는 시스템의 산술 연산, 논리 연산, 입출력 연산을 수행하여 컴퓨터 프로그램의 명령을 수행하도록 구성될 수 있다. 명령은 메모리(2405)에 의해 프로세서(2410)에 제공될 수 있다.A processor (2410) or other processing circuit may be configured to perform arithmetic operations, logical operations, and input/output operations of the system to execute instructions of a computer program. Instructions may be provided to the processor (2410) by memory (2405).
적어도 하나의 통신 인터페이스(2415)는 유선일 수 있으며, 프로세서(2410)와 다른 입출력 구성을 연결하는 구성을 포함할 수 있다. 이해되는 바와 같이, 적어도 하나의 통신 인터페이스(2415)와 메모리(2405)에 저장된 프로그램은 컴퓨터의 특수 목적 기능(special purpose functionalities)을 설정하며, 이는 컴퓨터의 구현 방식에 따라 달라질 수 있다.At least one communication interface (2415) may be wired and may include a configuration connecting the processor (2410) and other input/output configurations. As is understood, at least one communication interface (2415) and a program stored in memory (2405) set up special purpose functionalities of the computer, which may vary depending on the implementation method of the computer.
적어도 하나의 통신 인터페이스(2415)는 하나 이상의 사용자 입력 장치(예: 키보드, 키패드, 마우스 등) 및 사용자 출력 장치(예: 디스플레이, 스피커 등)를 포함할 수 있다.At least one communication interface (2415) may include one or more user input devices (e.g., keyboard, keypad, mouse, etc.) and user output devices (e.g., display, speaker, etc.).
첨부된 청구항들은 위에서 설명된 주제의 새롭고 창의적인 측면을 규정하지만, 청구항은 또한 구체적으로 상세히 기재되지 않은 추가 주제를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 일부 특징, 요소 또는 측면은 해당 발명의 새롭고 창의적인 특징을 당업자가 이미 알고 있는 것과 구별하는 데 필요하지 않은 경우, 청구항에서 생략될 수 있다. 일부 실시예의 맥락에서 설명된 특징, 요소, 측면은 또한 첨부한 청구항에서 정의된 발명의 범위에서 벗어나지 않는 범위 내에서 동일하거나 균등하거나 유사한 목적을 수행하는 대체 특징으로 생략, 결합 또는 대체될 수 있다.The appended claims define new and creative aspects of the subject matter described above, but the claims may also include additional subject matter that is not specifically detailed. For example, some features, elements, or aspects may be omitted from the claims if they are not necessary to distinguish the new and creative features of the invention from those already known to those skilled in the art. Features, elements, or aspects described in the context of some embodiments may also be omitted, combined, or replaced with alternative features that perform the same, equivalent, or similar purposes, provided that they do not depart from the scope of the invention as defined in the appended claims.
Claims (23)
영상을 획득하기 위해 초분광 카메라와 영상 처리 시스템을 포함하는 초분광 영상화 시스템을 사용하여 담배를 영상화하는 단계; 및
획득된 영상을 기반으로 담배를 초저니코틴(VLN) 담배 또는 일반 담배로 분류하는 단계;를 포함하는,
방법.As a method for classifying tobacco, the above method is:
A step of imaging a cigarette using a hyperspectral imaging system including a hyperspectral camera and an image processing system to acquire an image; and
A step of classifying a cigarette as a very low nicotine (VLN) cigarette or a regular cigarette based on an acquired image; comprising
method.
상기 방법은 상기 초분광 카메라 아래를 통과하도록 구성된 컨베이어 벨트 위에 담배를 배치하는 단계를 더 포함하는,
방법.In paragraph 1,
The above method further includes the step of placing cigarettes on a conveyor belt configured to pass under the hyperspectral camera,
method.
상기 담배의 영상화는 상기 컨베이어 벨트를 통해 상기 담배가 상기 초분광 카메라 아래에서 직선으로 이동하는 동안 수행되고, 상기 담배의 이동은 상기 영상 처리 시스템에 의해 추적되어 일관된 영상을 제공하는,
방법.In paragraph 2,
The imaging of the above cigarette is performed while the cigarette moves in a straight line under the hyperspectral camera via the conveyor belt, and the movement of the cigarette is tracked by the image processing system to provide a consistent image.
method.
상기 담배의 분류는 상기 담배가 상기 초분광 카메라 아래에서 직선으로 이동하는 동안 실시간으로 상기 영상을 분석하는 것을 포함하는,
방법.In paragraph 2,
The classification of the above cigarette includes analyzing the image in real time while the cigarette moves in a straight line under the hyperspectral camera,
method.
상기 초분광 카메라는 단파 적외선(SWIR) 영상화를 이용하여 담배를 영상화하도록 구성되는,
방법. In paragraph 1,
The above hyperspectral camera is configured to image cigarettes using short-wave infrared (SWIR) imaging,
method.
상기 SWIR 영상화는 약 900나노미터(nm) 내지 약 2500나노미터(nm) 범위에서 작동하는,
방법. In paragraph 5,
The above SWIR imaging operates in the range of about 900 nanometers (nm) to about 2500 nanometers (nm),
method.
상기 분류는 상기 획득된 영상으로부터 관련 특징을 추출하는 것을 포함하는,
방법.In paragraph 1,
The above classification includes extracting relevant features from the above-mentioned acquired image,
method.
상기 분류는 기계학습 알고리즘에 의해 수행되는,
방법.In paragraph 1,
The above classification is performed by a machine learning algorithm,
method.
상기 기계학습 알고리즘은 로지스틱 회귀 또는 선형 판별 분석 중 적어도 하나인,
방법.In paragraph 8,
The above machine learning algorithm is at least one of logistic regression or linear discriminant analysis,
method.
상기 방법은 VLN 담배 또는 일반 담배로 분류가 알려진 복수의 담배 영상들을 이용하여 상기 기계학습 알고리즘을 훈련시키는 단계를 더 포함하��,
방법.In paragraph 8,
The above method further includes the step of training the machine learning algorithm using a plurality of cigarette images known to be classified as VLN cigarettes or regular cigarettes.
method.
상기 초분광 카메라는 각 스펙트럼 파장에 대해 담배 표면의 2차원 영상을 구성하도록 상기 담배를 영상화하는,
방법.In paragraph 1,
The hyperspectral camera images the cigarette to construct a two-dimensional image of the cigarette surface for each spectral wavelength,
method.
상기 영상은 복수의 픽셀을 포함하며, 상기 복수의 픽셀의 각 픽셀은 복수의 스펙트럼 측정값을 포함하는,
방법.In paragraph 1,
The above image includes a plurality of pixels, and each pixel of the plurality of pixels includes a plurality of spectral measurement values,
method.
상기 복수의 픽셀의 각 픽셀은 상기 초분광 카메라에 의해 정의되는 최소 160개의 스펙트럼 측정값을 포함하는,
방법.In Paragraph 12,
Each pixel of the plurality of pixels comprises at least 160 spectral measurements defined by the hyperspectral camera,
method.
상기 담배를 VLN 담배 또는 일반 담배로 분류하는 단계는 비침습적으로 수행되는,
방법.In paragraph 1,
The step of classifying the above tobacco as VLN tobacco or regular tobacco is performed non-invasively,
method.
상기 담배의 직사각형 영역이 상기 초분광 카메라에 의해 영상화되는,
방법.In paragraph 1,
A rectangular area of the above cigarette is imaged by the hyperspectral camera,
method.
상기 직사각형 영역은 약 12인치 × 30인치 크기인,
방법.In paragraph 15,
The above rectangular area is approximately 12 inches × 30 inches in size,
method.
상기 방법은 전처리를 위해 상기 담배 위에 반사율 소재를 배치하는 단계를 더 포함하는,
방법.In paragraph 1,
The above method further includes the step of placing a reflective material on the cigarette for pretreatment.
method.
상기 방법은 상기 반사율 소재에 대한 제1 관심 영역을 정의하는 단계;
상기 담배에 대한 제2 관심 영역을 정의하는 단계; 그리고,
상기 초분광 카메라로 상기 영상을 획득한 후 상기 제2 관심 영역 내의 응답이 너무 낮은 픽셀을 제거하는 단계;를 더 포함하는,
방법. In Paragraph 17,
The above method includes the step of defining a first region of interest for the reflectance material;
A step of defining a second region of interest for the above tobacco; and,
The method further comprises the step of removing pixels with a response that is too low within the second region of interest after acquiring the image with the hyperspectral camera.
method.
상기 방법은 x축의 각 픽셀에 대응하는 y축을 따라 상기 제1 관심 영역에 대해 평균을 내는 것에 의해, 상기 제1 관심 영역의 상기 x축을 따라 각 픽셀에 대한 평균 스펙트럼 벡터를 생성하는 단계를 더 포함하는,
방법. In Paragraph 18,
The above method further comprises the step of generating an average spectrum vector for each pixel along the x-axis of the first region of interest by averaging the first region of interest along the y-axis corresponding to each pixel on the x-axis.
method.
상기 방법은 상기 담배의 평균 스펙트럼을 생성하기 위해 상기 제2 관심 영역 내의 각 픽셀을 상기 평균 스펙트럼 벡터로 보정하는 단계를 더 포함하는,
방법. In Paragraph 19,
The above method further comprises the step of correcting each pixel within the second region of interest with the average spectrum vector to generate the average spectrum of the tobacco.
method.
상기 담배는 상기 평균 스펙트럼을 기반으로 초저니코틴(VLN) 담배 또는 일반 담배로 분류되는,
방법.In paragraph 20,
The above cigarette is classified as a very low nicotine (VLN) cigarette or a regular cigarette based on the above average spectrum,
method.
상기 제2 관심 영역 내 각 픽셀을 보정하는 단계는 상기 평균 스펙트럼 벡터의 대응하는 요소가 없는 경우 상기 제2 관심 영역의 해당 픽셀을 폐기하는 것을 포함하는,
방법.In paragraph 20,
The step of correcting each pixel within the second region of interest includes discarding the corresponding pixel in the second region of interest when there is no corresponding element of the average spectrum vector.
method.
상기 반사율 소재는 적절한 반사율을 가지는 물질인,
In Paragraph 17,
The above reflective material is a material having an appropriate reflectiveness,
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US18/462,793 | 2023-09-07 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20260059626A true KR20260059626A (en) | 2026-04-30 |
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